一种极低雷诺数高升阻比低速特殊勺型翼型的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种极低雷诺数高升阻比低速特殊勺型翼型，60％弦长之前的翼型厚度小，60％弦长之后的翼型厚度大，形成“勺型”几何特征，且60％弦长之前翼型的最大相对厚度是60％弦长之后翼型最大相对厚度的66％左右。翼型最大相对厚度位置位于77％左右弦长处，翼型在40％左右弦长处存在一个厚度变小区域，且翼型此处的最小相对厚度是翼型最大相对厚度的35％左右。翼型前部厚度小，后部厚度大，使翼型具有更好的力矩特性。在～104雷诺数下，层流分离泡小，翼型阻力大大减小，从而具有高升阻比及更优异的气动性能。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明属于空气动力学【技术领域】，具体涉及一种极低雷诺数高升阻比低速特殊勺 型翼型。 一种极低雷诺数高升阻比低速特殊勺型翼型
【背景技术】
[0002] 高空飞行器以太阳能转化的电能为主要能源，多采用电驱动螺旋桨，工作在20? 30km的高空范围内，其设计目标为：实现长时间定点悬停或低速机动飞行。由于临近空间 空气密度小，螺旋桨的前进速度较小，导致螺旋桨翼型基本处于极低雷诺数、马赫数〇? 〇. 6的特殊工况下；其中，极低雷诺数指?104量级雷诺数。由此可见，如何提高?104雷诺 数下螺旋桨翼型升阻比，从而提高螺旋桨气动效率具有重要的实际意义和应用价值。
[0003] 常规低雷诺数翼型主要针对雷诺数大于105进行设计，采用常规翼型，当其处于极 低雷诺数时，具有以下问题：常规翼型表面层流分离现象严重，翼型升阻性能恶化剧烈，即： 低雷诺数时，翼型表面流动以层流为主，层流附面层不稳定，当其不能克服翼型表面逆压梯 度时，流动发生分离，并转捩成湍流，之后发生湍流再附，形成层流分离泡。层流分离泡的出 现导致翼型升力系数降低，阻力系数增加，极大地降低了翼型升阻比。因此，提高?1〇 4雷 诺数下翼型升阻比的关键在于，如何有效控制翼型低雷诺数下的层流分离泡，从而尽可能 减小层流分离泡对低雷诺数翼型气动性能的影响。
[0004] 现有技术中，国内外对常规低雷诺数翼型的低雷诺数特性进行了一些理论和实验 方面的研究。在国外，Muti Lin J.C等进行了经典低雷诺数翼型E387的低雷诺数层流分 离泡研究，主要分析了低雷诺数下E387翼型的层流分离现象，并未解决?10 4极低雷诺数 下E387翼型升阻比低的问题；Michael S Selig等通过风洞实验设计研究了大量的低雷诺 数翼型，但这些翼型在雷诺数大于1〇5时的性能更加优异，在?1〇 4雷诺数下升阻比仍较低。 在国内，针对低雷诺数翼型的研究，也主要集中在低雷诺数下翼型层流分离现象方面，刘沛 清等开展了低雷诺数下翼型层流分离泡及吹吸气控制数值研究，使用流动控制的方式抑制 常规翼型低雷诺数下的层流分离泡，从而提升翼型的低雷诺数性能。
[0005] 由此可见，目前针对低雷诺数翼型的研究，更多的集中在常规翼型在低雷诺数下 的流动分离现象本身，并没有提出一种在低雷诺数下具有优异气动性能的新翼型，即无法 从根本上解决如何提高?1〇 4雷诺数下翼型升阻比，从而提高翼型气动性能的问题。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种极低雷诺数高升阻比低速特殊勺型翼 型，在?1〇 4雷诺数下，层流分离泡小，翼型阻力大大减小，从而具有高升阻比及更优异的气 动性能。
[0007] 本发明采用的技术方案如下：
[0008] 本发明提供一种极低雷诺数高升阻比低速特殊勺型翼型，所述特殊勺型翼型具有 以下几何结构参数：
[0009] 以翼型上下表面的连接点为坐标原点，以翼型弦长所在直线为X轴建立直角坐标 系，则：用c表不弦长；
[0010] 在第一位置点xl出现第一厚度峰值T1;其中，T1位于以下区间范围内： c*3.3%?c*5.3% ;xl位于以下区间范围内：(^9.0%?;
[0011] 在第二位置点x2出现第二厚度峰值T2，T2也为翼型最大厚度；其中，T2位于以下 区间范围内：c*5. 5%?c*7. 5% ;χ2位于以下区间范围内：c*75. 7%?c*77. 7%
[0012] 在第一位置点xl和第二位置点X2之间的第三位置点x3出现厚度谷值T3 ;其中， T3位于以下区间范围内：T2*34. 5%?T2*36. 0% ;x3位于以下区间范围内：c*39. 0%? c*41. 0%。
[0013] 优选的，T1 = c*4. 3% ;xl = c*10. 0% ;
[0014] T2 = c*6. 5% ；χ2 = c*76. 7% ；
[0015] Τ3 = Τ2*35· 4% ;χ3 = c*40. 0%。
[0016] 优选的，还包括：
[0017] 翼型最大弯度f位于以下区间范围内：c*3. 5%?c*4. 5% ;最大相对弯度位于以 下区间范围内：c*38.0%?c*40.0%。
[0018] 优选的，翼型最大弯度f = c*4. 1% ;最大相对弯度位于38. 9%弦长处。
[0019] 优选的，还包括：
[0020] 在从前缘到9%?11%弦长处的区域内，其翼型厚度变化率高于翼型其他区域厚 度变化率。
[0021] 优选的，在从前缘到10%弦长处的区域内，其翼型厚度变化率高于翼型其他区域 厚度变化率。
[0022] 优选的，所述翼型上表面曲率变化率小于所述翼型下表面曲率变化率。
[0023] 优选的，所述翼型的上表面数据点坐标见表1 ;所述翼型的下表面数据点坐标见 表2 :
[0024] 表1翼型上表面数据点 [0025] χ_1 y_χ_I y_5__y 〇.〇〇〇〇〇〇 I 0.000000 0.109925 | 0.050()8 1) | 0.805048 0,037781 (?.000042 I 0.000998 0.130201 | 0.051323 j U.H3I851 0,033%3 0.000197 I 0.002165 0.152993 | 0.052292 [ 0.855061 0.030097 0.000515 I 0.003511 0.178414 | 0.053116 I 0.875724 0.026375 0.001054 I 0.005045 0.206535 | 0.053793 [ 0.894017 0,022969 0.001870 I 0.006774 0.237364 | 0.054219 j 0.910128 0.019939 0.003020 I 0.008702 0.270832 | 0.054286 j 0.924247 0,017273 0.004563 I 0.010838 0.306775 | 0.054001 I 0.936561 0.014927 0.006559 I 0.013196 0.344938 | 0.053511 | 0.947254 0.012850 0.009078 I 0.015795 0.384973 | 0.052984 I 0.956502 0,010992 0,012205 I 0,018651 0.426444 | 0.052463 j 0.964472 0,009317 0.016044 I 0.021775 0.468839 | 0.051834 [ 0.971318 0,007798 0,020722 I 0.025158 0.511599 | 0.050987 j 0.977185 0.006420 0.026393 I 0.028770 0.554147 | 0.049966 j 0.982199 0.005171 0.033237 I 0.032537 0,595920 | 0.048940 [ 0.986477 0,004044 0,041455 I 0.036340 0.6363% | 0.048018 j 0.990122 0.003031 0.051257 I 0.040007 0.675112 | 0.047078 f 0.993223 0,002129 0.062842 I 0.043344 0.7Π 6Β2 | 0.045810 0.995859 0.001328 0.076384 I 0.046177 0.745805 | 0.043888 0.998098 0.000617 0.092032 I 0.048417 0.777265 | 0.041174 1.000000 0.000000
[0026] 表2翼型下表面数据点
[0027] _x_j_y__x__y__x__y_ ^〇.〇〇〇〇〇〇^^〇.〇〇〇〇〇〇 ^0.123398^^0.008532 '^0.806006^-0.024871^ 0.000147 -0.000986 0.143405 0.010507 0.831919 ?0.025178 0.000661 -0.002039 0.165858 0.012751 0.855217 -0.024544 0.001618 -0.003030 0.190883 0.015223 0,875982 -0.023226 0.003026 -0.003831 j 0.218552 0.017912 0.894348 | -0.021456
[0028] 0.007074 -0.004642 0.281769 | 0.023974 I 0.924589 -0.017284 0.009700 -0,004636 0,317123 ( 0.027002 | 0.936856 -0.015143 0.012768 -0.004372 0.35471? | 0.029349 [ 0.947484 -0.013077 0.016338 -0.003869 0.394211 I 0.030285 | 0.956663 -0.011136 0,020493 -0.003152 0.435111 | 0.029149 [ 0.964568 -0.009347 0.025335 -0.002255 0.476780 I 0.025526 | 0.971359 -0.007723 0.030984 -0.001225 0.518572 | 0,019712 | 0,977183 -0.006267 0.037574 -0.000117 0.559935 I 0.012450 I 0.982170 -0.004974 0,045253 0.001013 0,600413 | 0.004551 [ 0.986433 -0.003834 0.054176 0.002121 0.639618 | -0.003225 I 0.990073 -0.002837 0.064507 0.003201 0,677212 | -0.010251 | 0.993179 -0.001969 0.076416 0.004292 0.712889 | -0.016083 [ 0.995826 -0.001214 0.090081 0.005478 0.746381 I -0.020475 | 0.998080 -0.000561 0.105682 0.006865 j 0.777470 [ -0.023371 j 1.000000 0.000000
[0029] 本发明提供的极低雷诺数高升阻比低速特殊勺型翼型，具有以下优点：
[0030] 与常规低雷诺数翼型相比，在?104雷诺数下，层流分离泡小，翼型阻力小，升阻比 高，具有更优异的气动性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0031] 图1为本发明提供的设计翼型的几何外形图；
[0032] 图2为本发明提供的设计翼型的厚度分布曲线图；
[0033] 图3为本发明提供的设计翼型的弯度分布曲线图；
[0034] 图4为常规低雷诺数翼型E387的几何外形图；
[0035] 图5为E387翼型厚度分布曲线图；
[0036] 图6为E387翼型弯度分布曲线图。
【具体实施方式】
[0037] 以下结合附图对本发明进行详细说明：
[0038] 本发明设计了一种适合?104雷诺数下的低速极低雷诺数高升力翼型。此翼型的 突出特点是：60%弦长之前的翼型厚度小，60%弦长之后的翼型厚度大，形成"勺型"几何特 征，且60%弦长之前翼型的最大相对厚度是60%弦长之后翼型最大相对厚度的66%左右。 翼型最大相对厚度位置位于77%左右弦长处，翼型在40%左右弦长处存在一个厚度变小 区域，且翼型此处的最小相对厚度是翼型最大相对厚度的35%左右。翼型前部厚度小，后部 厚度大，使翼型具有更好的力矩特性。
[0039] 另外，翼型上表面平滑，曲率小，同时翼型整体弯度小，翼型最大弯度为4%左右。 同时翼型从前缘到10 %左右弦长范围内的弯度变化剧烈。
[0040] 基于上述设计原则，如图1所示，为本发明提供的设计翼型的几何外形图；如图4 所示，为常规低雷诺数翼型E387的几何外形图；对比图1和图4,本发明设计翼型具有明显 的"翼型前部厚度小，翼型后部厚度大"的几何特征，且翼型上表面平滑，下表面变化剧烈。
[0041] 如图2所示，为本发明提供的设计翼型的厚度分布曲线图；如图5所示，为E387翼 型厚度分布曲线图；对比图2和图5可以看出，常规低雷诺数翼型仅有一个厚度峰值，最大 厚度位置位于31%弦长处，而本发明设计翼型存在两个厚度峰值，翼型前部的厚度峰值位 于10 %弦长处，相对厚度为4. 3 % ;翼型后部厚度峰值是翼型最大厚度处，位于76. 7 %弦长 处，最大相对厚度为6. 5%，在两个厚度峰值之间，存在一个厚度变小区域，此区域的最小厚 度位于40 %弦长处，最小相对厚度为2. 3 %，翼型最小厚度为翼型最大厚度的35. 4%，此种 厚度分布，既保证翼型具有较大的升阻比，又保证其有好的力矩特性。
[0042] 如图3所示，为本发明提供的设计翼型的弯度分布曲线图；如图6所示，为E387翼 型弯度分布曲线图；对比图3和图6可以看出，常规翼型弯度变化平滑，本发明设计翼型最 大相对弯度小，为4. 1 %，最大相对弯度位置位于38. 9 %弦长处，前缘弯度变化剧烈，从前 缘到10%弦长处的区域内翼型厚度变化快。
[0043] 对比计算了设计翼型和常规低雷诺数翼型E387的性能，计算状态：马赫数为0. 3， 雷诺数为50000,为了比较两种翼型在相同升力系数下的升阻比特性，两者的计算攻角分别 取为4°和6°。由表3给出的两个翼型的计算结果可以看出，在低速、低雷诺数条件下，当 两种翼型升力系数一致时，本发明设计翼型的升阻比比常规低雷诺数翼型E387的升阻比 高70%左右。由此可见，本发明设计的翼型在低速极低雷诺数下具有更加优异的升阻特性。
[0044] 表3设计翼型与E387翼型性能对比
[0045] ?1 I计算攻角I力矩系数|升力系数|阻力系数|升阻比 设计翼型 P -0. 04474~ 0. 775 0. 03723~ 20. 82 E387 6° -0. 10023~0. 775 0. 06326~12. 25
[0046] 在低速、?104雷诺数工况下，常规低雷诺翼型发生后缘分离，并在翼型后缘形成 大的层流分离泡，大的层流分离泡导致翼型阻力急剧增加，从而导致翼型升阻比降低；而 具有以上几何特征的本发明翼型，在翼型前缘发生层流分离，形成层流分离泡，并转捩为湍 流，之后湍流再附，湍流附面层稳定性更强，不易发生流动分离，而且本发明翼型形成的层 流分离泡比常规低雷诺数翼型形成的层流分离泡小，从而本发明翼型具有更小的翼型阻力 和更大的翼型升阻比。
[0047] 表1和表2给出了设计翼型的点数据。
[0048] 表1设计翼型上表面数据点
[0049] ^ 1 y_X | y_?__y ^〇.〇〇〇〇〇〇I^〇.〇〇〇〇〇〇^^0.109925|^0.050089^|^0.805948^ 0.037781 0.000042 | 0,000998 0.130201 | 0.051323 [ 0.831851 0,033983 0.000197 | 0.002165 0.152993 | 0.052292 I 0.855061 0.030097 0.000515 | 0.0035! 1 0.178414 | 0.053116 | 0.875724 0.026375 0.001054 | 0.005045 0.206535 | 0.053793 I 0.894017 0,022969 0.001870 | 0.006774 0.237364 | 0.054219 | 0.910128 0.019939 0.003020 I 0.008702 0.270832 | 0.054286 [ 0.924247 0.017273 0.004563 | 0.010838 0,306775 | 0.054001 | 0.936561 0.014927 0.006559 | 0.013196 0.344938 | 0.053511 | 0.947254 0.012850 0.009078 | 0.015795 0.384973 | 0,052984 | 0.956502 0.010992 0,012205 | 0.018651 0.426444 | 0,052463 | 0.964472 0.009317 0.016044 | 0.021775 0.468839 | 0.051834 [ 0.9713IB 0,007798 0.020722 | 0,025158 0.511599 | 0.050987 | 0,977185 0.006420 0.026393 | 0.028770 0.554147 | 0.049966 [ 0.982199 0,005171 0.033237 | 0,032537 0,595920 | 0.048940 | 0.986477 0.004044 0.041455 | 0.036340 0.636396 | 0.048018 | 0.990122 0.003031 0.051257 | 0.040007 0.675112 | 0.047078 I 0.993223 0,002129 0,062842 | 0.043344 0.711682 | 0.045810 | 0.995859 0,001328 0.076384 | 0.046177 0.745805 | 0.043888 I 0.998098 0,000617 0.092032 1 0.048417 0.777265 1 0.041174 j 1.000000 0.000000
[0050] 表2设计翼型下表面数据点
[0051] x y χ i y χ ! y 〇.〇〇〇〇〇〇 〇.〇〇〇〇〇〇 0.123398 | 0.008532 0.806006 | -0.024871 0.000147 -0,000986 0.143405 U.0I05U7 0.831919 -0.025178 0,000661 -0.002039 0,165858 0.012751 0.855217 -0.024544 0.001618 -0,003030 0.190883 0.015223 0.8759B2 4).023226 0,003026 -0.003831 0,218552 0.017912 0.894348 4).021456 0.004851 -0.004377 0.248868 0.020847 0.910486 -0.019425 0.007074 4).004642 0.281769 0.023974 0.924589 4).017284 0.009700 -0.004636 0317123 0,027002 0.936856 4),015143 0.012768 -0,004372 0354717 0.029349 0.947484 -0,013077 0.016338 -0.003869 0.3942】l 0.030285 0.956663 -0.011136 0,020493 -0,003152 0.435111 0,029149 0.964568 -0.009347 0Λ25335 -0,002255 0,476780 0.025526 0.971359 -0.007723 0.030984 -0,001225 0.518572 0.019712 0.977183 -0.00626? 0.037574 ?0.000117 0.559935 0,012450 0.982170 -0.004974 0Λ45253 0.001013 0.600413 0.004551 0.986433 ?0.003834 0.054176 0.002121 0.639618 -0.003225 0.990073 -0.002837 (1064507 0,003201 0,677212 -0,010251 0.993179 -0,001969 0Λ764Ι6 0,004292 0JI2889 -0,016083 0.995826 -0.001214 0Λ90081 0.005478 0.746381 -0,020475 0.998080 -0.000561 0J05682 I 0,006865 0J77470 ~〇-02337I ].000000 0Λ00000
[0052] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视本发明的保护范围。
【权利要求】
1. 一种极低雷诺数高升阻比低速特殊勺型翼型，其特征在于，所述特殊勺型翼型具有 以下几何结构参数： 以翼型上下表面的连接点为坐标原点，以翼型弦长所在直线为X轴建立直角坐标系， 贝1J :用c表不弦长； 在第一位置点XI出现第一厚度峰值T1 ;其中，T1位于以下区间范围内：c*3.3%? c*5. 3% ;xl位于以下区间范围内：c*9. 0%?; 在第二位置点x2出现第二厚度峰值T2，T2也为翼型最大厚度；其中，T2位于以下区间 范围内：c*5. 5%?c*7. 5% ;χ2位于以下区间范围内：c*75. 7%?c*77. 7% 在第一位置点xl和第二位置点x2之间的第三位置点x3出现厚度谷值T3 ;其中， T3位于以下区间范围内：T2*34. 5%?T2*36. 0% ;x3位于以下区间范围内：c*39. 0%? c*41. 0%。
2. 根据权利要求1所述的极低雷诺数高升阻比低速特殊勺型翼型，其特征在于，T1 = c*4. 3% ；xl = c*10. 0% ； T2 = c*6. 5% ；χ2 = c*76. 7% ； Τ3 = Τ2*35. 4% ;χ3 = c*40. 0%。
3. 根据权利要求1所述的极低雷诺数高升阻比低速特殊勺型翼型，其特征在于，还包 括： 翼型最大弯度f位于以下区间范围内：c*3. 5%?c*4. 5% ;最大相对弯度位于以下区 间范围内：c*38. 0%?c*40. 0%。
4. 根据权利要求3所述的极低雷诺数高升阻比低速特殊勺型翼型，其特征在于，翼型 最大弯度f = c*4. 1% ;最大相对弯度位于38. 9%弦长处。
5. 根据权利要求1所述的极低雷诺数高升阻比低速特殊勺型翼型，其特征在于，还包 括： 在从前缘到9%?11%弦长处的区域内，其翼型厚度变化率高于翼型其他区域厚度变 化率。
6. 根据权利要求5所述的极低雷诺数高升阻比低速特殊勺型翼型，其特征在于，在从 前缘到10%弦长处的区域内，其翼型厚度变化率高于翼型其他区域厚度变化率。
7. 根据权利要求1所述的极低雷诺数高升阻比低速特殊勺型翼型，其特征在于，所述 翼型上表面曲率变化率小于所述翼型下表面曲率变化率。
8. 根据权利要求1-7任一项所述的极低雷诺数高升阻比低速特殊勺型翼型，其特征在 于，所述翼型的上表面数据点坐标见表1 ;所述翼型的下表面数据点坐标见表2 : 表1翼型上表面数据点 x I y x i y j x y 0.000042 I 0.000998 0.130201 | 0.051323 [ 0.831851 0.033983 0.000! 97 I 0.002165 0.152993 | 0.052292 I 0.855061 0.030097 0.000515 I 0.003511 0.178414 | 0.053116 j 0.875724 0,026375 0.001054 I 0.005045 0.206535 | 0.053793 I 0.894017 0.022969 0.001870 I 0.006774 0.237364 | 0.054219 j 0.910128 0,019939 0.003020 I 0.008702 0.270832 | 0,054286 I 0.924247 0,017273 0.004563 I 0.010838 0.306775 | 0.054001 j 0.936561 0.014927 0.006559 I 0.013196 0.344938 | 0.053511 [ 0.947254 0,012850 0.009078 I 0,015795 0.384973 | 0.052984 j 0.956502 0.010992 0.012205 I 0.018651 0.426444 | 0.052463 j 0.964472 0,009317 0.016044 I 0.021775 0.468839 | 0.051834 I 0.971318 0.007798 0.020722 I 0.025158 0.511599 | 0.050987 j 0.977185 0,006420 0.026393 I 0.028770 0.554147 | 0.049966 [ 0.982199 0,005171 0.033237 I 0.032537 0.595920 | 0.048940 j 0.986477 0,004044 0,041455 I 0.036340 0.636396 | 0.048018 [ 0.990122 0,003031 0.051257 I 0.040007 0.675112 | 0.047078 I 0.993223 0.002129 0.062842 I 0,043344 0.7116S2 | 0.045810 | 0.995859 0,001328 0.076384 I 0.046177 0.745805 | 0.043888 I 0.998098 0,000617 _ 0.092032 I 0.048417 ^ 0-777265 | 0.041174 j_ 1.000000 _[ 0.000000 表2翼型下表面数据点 x y x y _x__y_ ^^^ 0.000147 -0.0009S6 0.143405 0.010507 0.831919 -0.025178 0.000661 -0.002039 0.165858 0.01275 丨 0,855217 -0.024544 0.001618 -0.003030 0.190883 0.015223 0,875982 -0.023226 0,003026 -0.003831 0.218552 0.017912 0.894348 -0.021456 0.004851 -0.004377 0.248868 0,020847 0.910486 -0.019425 0.007074 -0.004642 0.281769 0.023974 0.924589 -0.017284 0.009700 -0.004636 0.317123 0.027002 0.936856 -0.015143 0.012768 -0.004372 0.354717 0.029349 0.947484 -0.013077 0.016338 -0.003869 0394211 0.030285 0.956663 -0.011136 0.020493~~-0.003152~~0.435111~~0.029149~~0.964568~ -0.009347 ! 0.025335 -0,002255 0,476780 0.025526 0.971359 -0.007723 ! 0.030984 -0.001225 0.518572 0.019712 0.977183 -0.006267 i 0.037574 -0,000117 0.559935 0.012450 0.982170 -0.004974 ! 0.045253 ().001()13 0.600413 0.004551 0.986433 -0.003834 ! 0.054176 0.002121 0.639618 -0.003225 0,990073 -0.002837 | 0.064507 0,003201 0,677212 -0.010251 0.993179 -0.001969 | 0.076416 0.004292 0.712889 -0.016083 0.995826 -0.001214 ! 0.090081 0,005478 0.746381 -0.020475 D.998080 -0.000561 ； 0.105682 0.006865 0.777470 -0.023371 1.000000 〇.〇〇〇〇〇〇 i
【文档编号】B64C3/10GK104118556SQ201410386225
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年8月7日 优先权日:2014年8月7日
【发明者】杨旭东, 张顺磊, 许建华, 宋文萍, 朱敏, 宋超, 宋笔锋, 安伟刚, 王海峰, 李育斌, 张玉刚 申请人:西北工业大学