大攻角非对称流动的非定常弱扰动控制

 研制了一种新的大攻角细长旋成体非对称涡的主动控制技术, 即在细长旋成体头部施加非定常弱扰动来控制头部非对称背涡。应用七孔探针测量的空间截面流场揭示了非定常控制下非对称涡变成对称涡的流态特征。测力试验研究结果表明该方法不仅能完全消除背涡的非对称性及其产生的侧向力, 并且有效控制攻角范围从30b直到80b。     

微吹气前体非对称涡控制

采用测力、测压以及粒子图像测速(PIV)流场测试试验技术,针对细长弹体大攻角时前体非对称涡控制的问题,应用连续有源微吹气与双出口合成射流微吹气手段,对前体非对称涡控制开展了试验研究。试验结果表明:连续有源微吹气控制时,在不同攻角选择适当的吹气流量可以将侧向力控制为零;双出口合成射流微吹气控制时,改变控制电压可以起到侧向力比例控制的效果。流场测试结果显示,弹体产生侧向力时背风涡为非对称结构,合成射流控制具有一定的控制频选特性。低频控制时,涡左右摆动,时均结果为对称分布;高频控制时,左右涡位置稳定,为对称分布。     

超声速小攻角下的圆锥转捩攻角效应

采用高阶差分格式求解三维可压缩滤波Navier-Stokes方程,对超声速零攻角和小攻角圆锥边界层转捩进行了空间大涡模拟研究.在三维Tollmien-Schlichting(T-S)波扰动作用下,计算得到了流场非定常转捩过程.计算结果清晰地展现了非定常大尺度结构演化特征和攻角效应引起的非对称转捩现象,流场发卡涡、横流涡等转捩主控大尺度结构与实验一致.     

大迎角前体涡控制方法综述

大迎角下飞行器的常规舵面处于机身/弹身的尾涡中,偏航控制能力严重下降。同时,背风侧的非对称涡系导致压力非对称分布,从而诱发出一个几乎与法向力同量级的侧向力,并伴随着很大的偏航力矩。前体涡控制方法可以为细长飞行器提供所需的偏航力矩,在大迎角机动飞行领域具有广阔的应用前景。本文总结了国内外近十年发展的大迎角前体涡控制方面的新方法。其中,被动控制方法包括边界层转捩带、微鼓包、微凹坑、边条、自激振荡旗帜和涡流发生器等;主动控制方法包括等离子体激励器、单孔位微吹气、轴向吹气、合成射流激励器、非定常小摆振片和充气边条等。着重介绍了各种方法的控制效果、机理和适用范围。在这些方法中,涡流发生器、合成射流激励器、非定常小扰动片、等离子体激励器、单孔位微吹气等线性控制方法均有可能提高细长体飞行器大攻角时的机动能力,具有一定的工程应用价值。最后,对大迎角前体涡控制方法的应用前景和未来新的发展方向进行了展望。     

大攻角流动的非定常特性分析

本文首先通过动态测量手段研究了大攻角流场中的能量成分,分析了各种成分引发的非定常性对大攻角流动的影响。结果表明大攻角流动本身是一种“涡行为”,非定常性对大攻角流动非对称性的影响较弱,影响大攻角流动的本质因素是涡的动力不稳定性对于前体不确定小扰动的响应。     

机翼低雷诺数流动的数值模拟

通过SIMPLE方法求解非定常不可压N-S方程,研究了小展弦比机翼在低雷诺数下的流场特征,并分析其对气动特性的影响。研究对象为展弦比为1.0的平板矩形翼,进行了不同攻角的数值模拟,模拟雷诺数为1×105。分析表明:在小攻角时,主涡不断的从机翼上表面脱落;在大攻角时,受翼尖涡的影响,分离涡保持在机翼的背风面不脱落,形成驻涡。通过对流场分析,低雷诺数前缘层流分离和翼尖涡对小展弦比机翼的空气动力学特性起了决定性作用;使低雷诺数小展弦比矩形翼出现非定常、非对称和驻涡等现象。     

端壁合成射流对高负荷涡轮叶栅涡系结构和流动损失影响的数值研究

为探究端壁合成射流对高负荷涡轮叶栅中涡系结构和流动损失的影响,采用非定常数值模拟方法分析了不同激励参数下合成射流对Durham叶栅流动损失的控制效果以及涡系结构和流动损失的对应关系。结果表明,合成射流减小了前缘马蹄涡和通道涡的尺度,削弱了来自相邻叶片压力面的横向涡,略微增强了壁角涡,并间接削弱了壁面涡;在无量纲幅值和频率分别为0.073和1时,控制效果最佳,总压损失系数减小约为10.72%;从控制机理上讲,合成射流加强了主流和射流下游边界层的掺混,增加了边界层动量,从而削弱了马蹄涡;合成射流影响了叶片压力面的流动分离,改变了由于分离产生低能流体的位置和范围,从而削弱了横向涡。由于漩涡的削弱,流动损失也随之减小。     

端壁非定常脉冲射流对高速扩压叶栅性能的影响

为探究非定常脉冲振荡射流对高速平面扩压叶栅气动性能、分离流动控制以及流场结构的影响,基于CFX数值模拟方法对平面扩压叶栅进行端壁非定常脉冲射流研究,分析射流效果随射流位置、角度和强度的变化规律。结果表明,通过角区脉冲射流可以显著提高叶栅气动性能,仅采用不足叶栅主流0.3%的射流流量,就能使叶栅出口总压损失系数降低28.66%。当射流位于吸力面侧分离起始位置稍下游时控制效果最佳;射流角度、射流强度和射流频率的最佳值分别为α=20°,C_u=110%和F⁺=0.80;脉冲射流具有较好的适应性,在来流冲角i=-8°～+4°内均能降低叶栅损失。脉冲射流主要通过抑制和推迟通道涡和集中脱落涡的发展,减小其影响范围来改善叶栅内的涡系结构。     

大攻角细长旋成体非对称涡组合扰动控制的数值研究

使用数值模拟的方法,研究了采用三角扰动块加单孔位微吹气进行大攻角细长旋成体绕流非对称涡控制的组合扰动技术。结果表明,组合扰动可以实现旋成体侧向力的渐变控制。对流场结构的分析发现,组合扰动是通过改变旋成体头部流场涡结构从而实现了对整个非对称流场的控制,据此可以确定能实现侧向力控制的有效吹气孔周向位置。计算中还发现,吹气孔位于离顶部较远位置时,侧向力随吹气强度变化平缓易控制,但需以较大吹气强度为代价。     

合成双射流控制NACA0015翼型大攻角流动分离试验研究

设计了一种卧式合成双射流激励器(DSJA),并对其在翼展中段控制NACA0015翼型大攻角流动完全分离进行试验研究,分析了合成双射流激励器两射流出口位置及射流能量对控制机翼流动分离的影响规律。结果表明:合成双射流激励器对机翼大攻角流动分离具有很强的控制能力,可显著提高机翼流动分离攻角;合成双射流激励器两射流出口相对分离点的位置是影响控制效果的重要参数;合成双射流激励器两出口任一出口位于分离点之前,且越靠近分离点,其对边界层分离的控制效果越好,并且当分离点位于合成双射流激励器两出口之间,且离第一出口位置较近时,合成双射流"接力"控制机翼分离的效果更加明显;与合成射流"单射流"相比,合成双射流"两射流"对分离点位置的有效控制区域明显增大。此外,提高合成双射流激励器的射流能量,其控制机翼流动分离的能力提高。     

Separation control on NACA23012 using synthetic jet

A numerical study of separation control has been made to investigate aerodynamic characteristics of NACA23012 airfoil with synthetic jets. Computed results demonstrated that stall characteristics and control surface performance could be substantially improved by resizing separation vortices. The maximum lift was obtained when the separation point coincides with the synthetic jet location and the non-dimensional frequency is about 1. In addition, separation control effect was proportional to the peak velocity of the synthetic jet. It was observed that the actual flow control mechanism and flow structure is fundamentally different depending on the range of synthetic jet frequency. For low frequency range, small vortices due to synthetic jet penetrated to the large leading edge separation vortex, and as a result, the size of the leading edge vortex was remarkably reduced. For high frequency range, however, small vortex did not grow up enough to penetrate into the leading edge separation vortex. Instead, synthetic jet firmly attached the local flow and influenced the circulation of the virtual airfoil shape which is the combined shape of the main airfoil with the separation vortex. As a way to reduce the jet peak velocity, performance of a multi-array synthetic jet was investigated. Moreover, a high frequency multi-location synthetic jet was exploited to efficiently eliminate the unstable flow structure which was observed in low frequency range. Finally, by changing the phase angle in multi-location synthetic jets, highly controlled flow characteristics could be obtained with multi-array/multi-location synthetic jets. This shows efficiency of the current approach in separation control using synthetic jet.     

合成射流微扰动对后台阶湍流分离流动控制的实验研究

后台阶流动是流体力学中一个经典的研究课题,代表着工程中一类横截面突扩的钝体绕流问题。后台阶流动分离会导致一些不利的影响,如高速旋涡的形成、流动损失、压力脉动以及气动噪声等。基于阵列式合成射流激励器对二维矩形后台阶湍流分离再附流动控制进行了研究,综合应用表面测压、七孔探针、粒子图像测速仪(PIV)和热线等多种实验手段,获取了后台阶的表面压力分布和非定常流场结构。结果表明:利用在台阶前缘形成的合成射流微扰动可使无量纲再附点长度降低25%,合成射流控制使得沿台阶下游的湍动能和雷诺应力增强,提高了台阶下游流场的混合效率。热线结果表明,频率是后台阶分离流动控制的重要参数,当频率为260 Hz,扰动频率与剪切层涡脱落频率之比为1.32时,合成射流控制可使位于1/2倍频的剪切层能量增强,仅需消耗较小的能量即可实现流动控制的目的。     

OA212翼型主动流动控制的数值模拟研究

采用数值模拟的方法,探讨了基于零质量射流的主动流动控制技术对OA212旋翼翼型动态失速的控制效果和控制特性.以积分形式雷诺平均Navier-Stokes(N-S)方程为控制方程,采用格心有限体积法进行求解.空间离散采用AUSM~+-up格式,时间推进采用含牛顿型LU-SGS子迭代的全隐式双时间法,且引入了预处理方法和多重网格方法加速收敛.通过在喷口上施加非定常边界条件来模拟射流对翼型绕流的影响.研究了不同类型射流、不同位置射流以及不同控制参数(频率、相位、偏角、动量系数等)对动态失速控制效果的影响.研究表明:零质量射流和传统的定常射流均可减小动态失速迟滞环的回线面积,但在提高最大升力方面零质量射流明显优于定常射流;在12%c和62%c处施加组合零质量射流的控制效果最为明显.     

细长旋成体大迎角俯仰振荡的数值研究

为研究俯仰振荡对细长旋成体流场与气动特性的影响,利用雷诺平均方法与大涡模拟的混合方法相结合的脱体涡模拟方法对大迎角下细长旋成体俯仰运动进行了数值模拟研究。通过对背风面分离涡的强度和位置、细长体绕流形态、截面压强系数和侧向力系数的观察和分析,发现施加小振幅、特定频率的俯仰振荡对大迎角细长旋成体背风面流场有明显的控制能力,...     

基于合成射流的二维后台阶分离流主动控制

作为一种新的流动控制激励器,合成射流技术在流动分离控制、降低压力脉动和抑制噪声等方面具有广阔的应用前景。实验利用合成射流主动控制技术对二维后台阶湍流分离再附流动控制进行了研究,应用表面测压、粒子图像测速(PIV)和热线等多种实验测试技术对后台阶表面压力分布、流场结构以及剪切层特性进行了测试。结果表明,在台阶前缘施加合成射流可有效减小回流区范围和降低再附长度,当合成射流的动量系数为0.301×10^-3时,可使再附点长度减小25%。合成射流控制使得沿台阶下游的湍动能和雷诺应力增强,提高了台阶下游流场的混合效率。热线动态结果表明频率是后台阶分离流动控制的关键参数,当频率为260 Hz、激励频率与剪切层涡脱落频率之比为1.32、激励频率等同于旋涡脱落频率时,合成射流控制效果最好,仅需消耗较小的能量即可实现流动控制的目的。     

头部和后体对钝头体侧向力的影响

钝头体大迎角飞行时会出现随机的非对称流动现象,引起不确定的较大侧向力,进而使其偏离运行轨道。通过在钝头体头部施加人工扰动块可以固定其大迎角下的非对称流场结构,得到确定的侧向力,以利于改善钝头体的大迎角飞行特性及机动性。本文讨论了在头部人工扰动块主控流场结构的基础上,模型后体对侧向力影响的存在性问题,在迎角为50°、雷诺数为1.54×105的条件下,利用实验对周向角为90°和270°、子午角为10°的扰动位置的球形扰动主控下的侧向力影响因素进行了研究。发现钝头体大迎角下的非对称流动结构在头部主控的基础上,后体对非对称流动的影响不会消失,且其为影响头部扰动主控作用的重要因素。尽管模型后体的影响不会改变钝头体头部对于流场结构的主控地位,但会影响头部扰动控制的精准程度。所以在通过钝头体头部施加扰动进而得到确定的侧向力的同时,还需要减小模型后体对流场的影响,对其结构和加工质量进行优化,以更好地通过人工扰动主控流场结构。     

流动参数对合成射流控制叶栅流动分离的影响

采用大涡模拟方法、结构化网格建立了低压高负荷透平Pak B叶栅的非稳态数值分析模型,研究了不同流动参数对合成射流控制叶栅流动分离的影响.控制前随着雷诺数的减小和气流攻角的增大,叶栅流动分离区域变大,在气流攻角为5°下发生分离未在尾缘前再附的情况.合成射流控制后,不同流动参数下的流动分离都得到了有效的控制,并且在射流偏角为30°时,合成射流控制效果最好.合成射流使叶栅吸力面的流动分离位置推迟,再附位置前移,分离泡尺寸减小,叶栅吸力面的逆压梯度段缩短,吸力面边界层表面的剪切层在向下游迁移的过程中,没有发生充分的抬升,避免了大尺度涡旋的形成,并且很快地黏附于壁面,进而有效地控制了流动分离.      

细长体大攻角非对称流场控制

为了研究细长体大攻角非对称流态的机理以及开发新的控制技术进行了风洞实验.实验中观察到了侧向力的双稳态状态,并且它的正负指向很容易被来流中或者模型头部的微小扰动切换.连续改变滚转角时出现了迟滞回线.模型上游的扰动棒能改变侧向力的方向,当扰动棒移走后仍然可以保持该方向.根据以上观察,在模型头部安装了微型摆振片,该摆振片可以处在不同的周向位置.当摆振片静止时,迟滞回线消失,侧向力的方向不随紊流随机切换.截面侧向力的动态测量结果表明,当摆振片低频摆振时,侧向力可以跟随节奏变动.随着频率的增加,侧向力逐渐减少.当摆振频率进一步增加时,侧向力减少到零.如果摆振时,改变摆振片的平衡位置,则侧向力可以成比例的变化.根据上述实验实施,探讨了非对称现象的机理.     

基于零质量射流技术的旋翼翼型流场主动控制研究

旋翼翼型经常工作在大迎角来流条件下,流动分离普遍存在。通过在具有分离流动的翼型表面施加零质量射流控制,可以实现对流动分离的抑制,达到增升减阻、推迟失速的目的。本文通过对某旋翼翼型的流动控制的计算,采用数值模拟方法研究了零质量射流主动流动控制机理,并对影响零质量射流控制效果的射流喷角、动量系数和无量纲频率三个控制参数进行了分析比较,得出了一些有意义的结论。