▲后缘二维流场
结合三维涡量云图和二维流场图来观察可以发现,尖锐后缘涡自桨叶后缘生成后首先会紧密附着在后缘表面。此后随着桨叶沿方位角转动,后缘涡逐渐变强,涡核逐渐变大,随后与桨叶表面轻微分离,但仍然随着桨叶一起运动,大约300°方位角开始,后缘涡涡核逐渐扩散,汇入自由尾流中。
在普遍认可的尖锐后缘涡流动现象中,后缘涡生成后会从后缘尖角脱离,但就上述流场图所展示的内容来说,后缘涡会吸附在桨叶表面并跟随其移动一段时间之后才开始脱落,该现象直接关系到了后缘动态失速是否存在这一问题。
是否存在后缘失速问题说明a. NACA 0012 翼型升力系数图
b. OA212翼型升力系数图
▲翼型升力系数图
上图分别为NACA 0012 和OA212翼型360°吹风数据图,从图中我们明显可以看到,静态吹风数据中,来流从后缘吹向前缘时,大约在170°迎角左右,存在由后缘分离导致的失速现象,从曲线中同样可以看出,翼型前缘流动分离也会导致失速,而在旋翼周期变距运动中,这一现象表现为动态失速(Dynamic Stall),对于前缘分离导致的动态失速,Leishman-Beddoes 的旋翼翼型动态失速模型计算简单、效率高、精度好因而应用广泛,取得了普遍的认可。
那么,后缘分离导致的失速现象会不会在高前进比旋翼后行侧桨叶的变距运动中演化为动态失速呢?Potsdam 等人[1]在2016年应用RCAS对UH-60A的旋翼分析中,认为,后缘动态失速是存在的,并且产生了后缘动态失速涡(如下图a所示,动态失速涡受偏流影响从后缘移向前缘,导致了图中出现的吸力峰),但是对其物理特性却无法进行准确分析,而在本文的CFD模拟中发现,从大约220°方位角产生尖锐后缘涡开始,由于旋翼的转动和径向流动的影响,后缘涡经历了从黏附后缘表面到分离的过程,但其始终在桨叶后缘表面附近,在前飞来流的偏流影响下,随桨叶一起运动到约300°扩散为止,也就是没有出现动态失速这一过程,Potsdam 等人观察到的“动态失速涡”很有可能就是径向运动的尖锐后缘涡,Hiremath 等人[2]本年度于乔治亚理工学院低速风洞中做的高前进比试验也佐证了这一观点。
a. Potsdam 观察到的“动态失速涡”在桨叶下表面导致的压力变化