前缘结节对失速胞调制作用的模态分析

《Flow: Applications of Fluid Mechanics》：Modal analysis of stall cells modulation by aerofoil leading-edge tubercles

　　

采用高速三维粒子跟踪测速（high-speed three-dimensional particle tracking）、物理信息神经网络（physics-informed neural network, PINN）数据同化与本征正交分解（proper orthogonal decomposition, POD），实验表征了带有前缘结节（leading-edge tubercles）的翼型在攻角（angle of attack, α）直至后失速状态下的三维非定常流动结构。在较小攻角（α?5°）下，结节产生展向周期性反向旋转涡系，从根本上改变了边界层的初始形成。这些涡附着于翼型表面，通过交替的下洗与上洗运动调制剪切层。在失速状态下，流动呈现出跨越多个结节的大尺度分离胞（separation cells），无明显周期性。本征正交分解揭示出剪切层的主导垂直扑动模态，其斯特劳哈尔数（Strouhal number, St≈0.1，基于弦长与自由来流速度）。第二高能模态（St≈0.3）捕捉到部分顺流向行波，表明存在脱落行为。在深度失速状态（α?25°）下，非定常性归因于相邻分离区之间的相互作用。进一步利用该流动的运动学描述，通过压力估计推断气动载荷。上述观测有助于理解升力的逐渐衰减——这归因于胞状分离范围的扩大，与直前缘翼型所观察到的突然失速形成对比。

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一、研究背景与研究意义

受座头鲸胸鳍前缘结节结构的启发，正弦形前缘改型已被证实能够软化翼型的失速起始过程。然而，现有研究大多聚焦于时均特性，对于结节诱导的流向涡系与后失速状态下大尺度分离胞之间的三维非定常相互作用机制尚不清晰。特别是，失速胞的绝对尺寸、形成机理及其非周期行为仍有待阐明，而这对时变载荷预测及工程应用至关重要。因此，本研究旨在通过高时空分辨率的体速度测量与先进数据分析手段，揭示结节翼型从附着流到深度失速全过程中的三维非定常流动演化规律。

二、关键技术方法概述

研究人员采用高速三维粒子跟踪测速（3D-PTV）技术，在代尔夫特理工大学W-Tunnel风洞中对对称NACA0021翼型进行实验测量。自由来流速度为5 m/s，基于平均弦长（c₀=0.1 m）的雷诺数（Reynolds number, Re）为3.3×10⁴。翼型展长0.6 m（展弦比AR=6），前缘沿展向呈正弦变化，波长λ=0.25，振幅A分别为0、0.05和0.1。测量体积覆盖2.2×2.9×1.0 c₀³，记录频率2000 Hz，共采集7276帧图像（约3.6秒，对应182个对流时间单位）。采用shake-the-box算法进行粒子追踪，并通过物理信息神经网络（PINN）将散乱速度数据同化至笛卡尔网格，同时结合纳维-斯托克斯方程约束获得与速度场一致的压力场。最后运用空间本征正交分解（POD）提取流动非定常性的主导大尺度动力学特征。

三、研究结果

3.1 小攻角下的展向周期流动

在攻角α=5°时，时均流场呈现展向周期为λ的规则图案。在结节波峰平面内，流向速度分布显示边界层较薄且附着良好；而在波谷平面内，由于上洗作用导致较早分离。展向截面清晰地显示出结节波峰后方形成一对反向旋转的流向涡，分别诱导下洗（波峰处）和上洗（波谷处）运动，从而调制剪切层的发展。

3.2 失速状态下的非定常分离胞

随着攻角增大至15°，流动进入失速状态，出现跨越多个结节波长的大尺度分离胞。这些分离胞的展向范围不再局限于单个波长，而是呈现出非周期的空间分布。时均流场显示波谷后方存在明显的回流区，而波峰处的分离程度相对较轻。POD分析表明，第一模态（能量占比最高）对应于剪切层整体的垂直扑动运动，其特征频率对应的斯特劳哈尔数St≈0.1；第二模态（St≈0.3）则捕捉到沿流向传播的行波特征，反映了涡脱落行为。

3.3 深度失速状态下的非定常性

在攻角达到25°及以上时，流动进入深度失速状态。此时，相邻分离区之间发生强烈的相互作用，导致非定常性显著增强。POD模态的空间分布显示，主导模态的能量更为分散，反映了大尺度分离泡的不稳定性和多尺度耦合特征。不同振幅（A*=0.05和0.1）的结节翼型均表现出类似的趋势，但较大振幅的结节更有效地抑制了展向连通，使得分离胞被局部限制。

四、结论与讨论

研究人员通过压力估计进一步将流动的运动学描述与气动载荷关联起来。结果表明，结节翼型升力随攻角的增加呈现渐进式衰减，而非直前缘翼型的突然失速。这一现象可归因于结节诱导的展向周期性涡系将分离区域分割成有限尺度的胞状结构，抑制了展向动量交换，从而延缓了完全失速的发生。该研究为理解结节翼型的失速软化机制提供了直接的实验证据，尤其适用于中等至低雷诺数应用场景，如微型飞行器、小型旋翼、垂直轴风力机及紧凑型水能收集装置。