低速翼型分离流动的等离子体主动控制研究

为了研究等离子体激励器的放电形式及其诱导气流的规律,以及翼型迎角、自由来流速度分别对翼型流动分离抑制效果的影响。在低速、低雷诺数条件下利用介质阻挡放电等离子体激励器对NACA0015翼型进行了主动流动控制研究。结果表明：介质阻挡放电的形式为丝状放电;等离子体激励器诱导气流的方向由裸露电极指向覆盖电极,由电极的布置方式决定,与接线方式无关;当来流速度为25m／s,雷诺数为2．03×10^5时,等离子体气动激励可以有效地抑制翼型吸力面的流动分离,翼型最大升力系数增大约为9．7％,翼型l临界失速迎角由17．5°增大到20．5°;翼型失速延迟的真正原因并非单纯的气流加速;等离子体激励器的作用效果随着来流速度的提高而减弱,研究非定常激励或等离子体激励器与流场之间的耦合效应,也许更加具有潜力。     

合成双射流控制翼型分离流动的数值研究

合成双射流激励器是合成射流技术发展的最新成果,所形成的射流具有更高能量、流动更稳定的特点。采用数值模拟的方法,对比研究了合成射流与合成双射流对翼型分离流动的改善效果。结果表明:合成射流可以将翼型失速攻角提高2°、最大升力系数增加18%,合成双射流可以将翼型失速攻角提高4°、最大升力系数增加35%,证明了合成双射流具有更好的分离流动控制效果。另外着重分析了合成双射流工作频率和动量系数对控制效果的影响,发现当激励器工作频率为流场特征频率的1和2倍时,对翼型气动特性的改善效果最好,同时控制效果会随动量系数的增加而增大。     

低雷诺数下层流分离的等离子体控制

为有效控制层流分离特性,消除或减弱低雷诺数时小迎角下的升力非线性现象,改善翼型升力特性,并通过翼型的上表面转捩带与油流显示测量对等离子体激励控制机理进行阐述,对厚度为16%椭圆翼型低雷诺数下的气动特性进行了风洞试验研究。在此基础上,在上表面前缘10%弦长处布置激励器,通过压力分布测量观察等离子体激励对层流分离的影响。试验结果表明：当翼型上表面仅发生层流分离时,等离子体激励和转捩带的作用类似,可以有效延迟或者消除后缘层流分离,从而增加升力;当翼型上表面出现层流分离气泡并发生再附现象时,等离子体可以有效减小或者消除层流分离泡的范围,从而减小升力;通过控制层流分离,占空循环等离子体激励可以实现对低雷诺数小迎角下的升力的线性控制。     

等离子体气动激励抑制翼型失速分离的仿真研究

通过求解表面放电的二维流体体力模型,建立了翼型等离子体流动控制的数学模型,得到等离子体气动激励诱导的体力和热量分布,与Navier-Stokes方程耦合求解.进行了低雷诺数条件下,等离子体气动激励抑制NACA0009翼型失速分离的数值仿真研究,研究了等离子体激励的强度、激励电极数目和激励位置对流动分离抑制和翼型升阻特性的影响.在雷诺数为58000、攻角为24°的情况下,施加等离子体激励后,升力系数由0.7449增大到1.2404;阻力系数由0.4012减小到0.3503.      

S1223翼型低雷诺数下分离泡及气动特性

采用表面测压技术,测量了低雷诺数下(Re=6.0×104、1.0×105、2.0×105)S1223翼型的表面压力分布,通过时均化处理及瞬态处理方法,分别获得了翼型稳态和瞬态压力系数、升力系数,分析了流场结构随雷诺数及攻角的变化规律,研究了雷诺数及攻角对翼型升力的影响机理.结果表明,从时均升力系数随攻角的变化规律来看,S1223翼型在低雷诺数下存在"静态滞回"效应.攻角由负逐渐增大至0°时,下翼面由完全分离转变为出现层流分离泡,随后分离泡逐渐减小直至消失,导致升力系数斜率呈现随攻角逐渐增大的非线性现象.当攻角超过临界攻角后,不同雷诺数下翼型流场结构随攻角的变化规律存在本质不同,Re=6.0×104和1.0×105时,翼型周围流场迅速发生大范围流动分离,升力系数迅速减小;而Re=2.0×105时,上翼面周期性生成短泡,引发低频振荡现象,升力系数呈现准周期性变化,α=16°时上翼面时均流场呈现40％弦长的长泡结构.     

等离子体合成射流改善翼型气动性能实验研究

等离子体合成射流(PSJ)是一种新型主动流动控制激励器,目前研究大多集中于激励特性,对于流动控制的应用研究还明显不足。为了深入探究PSJ翼型流动分离的控制能力与规律,以高升力翼型为载体,在翼型前缘施加等离子体合成射流激励(PSJA),研究激励器对升力特性的影响。结果表明:在翼型前缘施加PSJA,可以有效抑制流动分离;近失速迎角状态下,各个激励频率下都能产生良好的控制效果;过失速迎角状态下,低频效果最好,随激励电压增加,有效频率范围变宽;激励效果随来流速度增加而减弱,当来流速度20m/s时,翼型的失速迎角提高5°,最大升力系数提高8.1%;当来流速度为40m/s时,失速迎角提高3°,最大升力系数提高4.5%。     

平流层螺旋桨多工况等离子体增效控制方案研究

基于S1223翼型建立了平流层螺旋桨3维模型,在螺旋桨上下表面设置等离子体激励器,设计了5种螺旋桨工况下的等离子体控制方案,采用唯象学等离子体体积力模型进行数值仿真,研究了5种工况下不同等离子体控制方案对螺旋桨拉力和效率的影响。结果表明,设计工况下不宜开启等离子体激励器,采用交流激励时等离子体对高转速前进工况下的螺旋桨控制效果不明显,低速重载工况和滑翔工况下螺旋桨拉力和效率增加,低转速抗风工况下螺旋桨拉力大。采用等离子体流动控制技术提高平流层螺旋桨性能是可行的,需要进一步开展大量研究以优化等离子体激励器的布置方案和控制方案,提高等离子体控制效果,以满足低速临近空间飞行器对推进系统的需求。     

八字形出口合成射流激励器机翼分离流控制

设计研制了一种适于机翼分离流动控制的八字形出口合成射流激励器，对其出口射流与主流的相互作用特性进行了研究，粒子图像测速仪（PIV）流场测试和边界层速度型测试结果揭示了其控制机制为促进边界层与主流的诱导掺混，提升边界层底层能量。利用该激励器阵列对NACA633-421三维直机翼模型开展了针对射流能量比Cμ和阵列位置两个参数的分离流控制研究，天平测力及翼型表面测压结果显示该激励器可有效抑制翼面流动分离、推迟失速迎角。在设计范围内，射流能量比Cμ值越大，控制效果越好，当Cμ＝0．00168时，机翼最大升力系数提升了5．92％，失速迎角推迟了2．5°（激励器阵列位于0．3c处）。激励器阵列的弦向布置位置是一个重要控制参数，阵列位于0．3c处时最大升力系数提升量大于位于0．55c时。     

等离子体激励抑制翼型失速分离的实验研究

进行了低速、低雷诺数条件下等离子体激励抑制NACA0015翼型失速分离的实验研究,研究了等离子体激励电压、激励电极数目和激励位置对流动分离抑制效果的影响.在翼型吸力面敷设不对称电极布局的等离子体激励器.在来流速度为4.27m/s,雷诺数为4.96×104的情况下,未施加等离子体激励时,从攻角为9°起翼型吸力面发生显著的前缘流动分离;施加等离子体激励后,流动分离在攻角小于26°的情况下均能很好地重附到翼型吸力面表面.实验表明,流动分离越严重,对等离子体激励的强度要求也越高,等离子体激励的电压和电极组数也必须相应增大;给定的流动分离状态下,等离子体激励的电压和电极组数存在一个阈值;等离子体激励的最佳位置在流动分离起始点的前缘;雷诺数增大后,流动分离更难抑制.     

等离子体激励器流场测量及诱导推力实验

为了深入了解等离子体激励器流动控制原理,采用PIV技术获得了静止空气中的等离子体激励器上表面诱导气流及其末端引射气流流场的流速分布和流态,并对由此产生的诱导推力进行了测量实验;研究了等离子体激励器上表面诱导气流加速机理和尾部流场形态以及电极对数对诱导气流加速的影响,并与推力实验结果进行比较。研究结果表明,等离子体激励器上表面空气被诱导产生定向流动,并在多对平行电极的作用下被逐渐加速;诱导气流在激励器末端的引射作用形成射流,增加等离子体激励器电极对数可以增大该射流的流速;所产生的诱导推力也随诱导气流流速的加速相应增大。     

低雷诺数下协同射流关键参数对翼型气动性能的影响

协同射流是一种高效的新型主动流动控制技术,至今缺乏关键参数对翼型气动性能影响规律的系统研究。通过引入螺旋桨激励盘模型,发展了一种新的协同射流翼型流动模拟方法,使得射流反作用力计算更符合实际。在低雷诺数条件下,以NACA6415为基准翼型开展了射流动量系数、开口尺寸和位置等关键参数对翼型气动性能的影响规律研究,并探讨了相应的物理机制。结果表明：大迎角分离流状态下,射流动量系数对翼型气动性能的影响规律比小迎角附着流状态更复杂;随着吹气口尺寸增加,气泵功率系数先减后增,有效升阻比先增后减;随着吸气口尺寸增加,气泵功率系数逐渐减小,有效升阻比先增加后趋于平稳;吹/吸气口位置对翼型气动性能和气泵功率系数的影响很小。     

射频介质阻挡放电改善NACA 0015翼型气动性能的实验

介质阻挡放电(DBD)均匀稳定、易于敷设,是机翼/翼型等离子体流动控制(PFC)中最常用的激励方式。射频介质阻挡放电激励频率高、放电功率大,且能在流场中产生明显的加热,应用潜力大。采用射频电源驱动DBD激励器产生等离子体,分析放电的体积力、热特性和诱导流场特性,开展了射频介质阻挡放电改善NACA 0015翼型气动性能的实验,研究了占空比、调制频率、载波频率和电源功率等参数对流动控制效果的影响规律。结果表明:射频等离子体激励的体积力效应随激励电压的增大而增加;射频等离子体激励产生的热量在诱导的流场中进行传导,加速流场;当来流速度为20m/s,Re=3.36×10~5时,在翼型前缘施加激励,使翼型临界失速迎角推迟1°,最大升力系数增大6.43%,且在过失速迎角下仍具有流动控制效果,使升力下降变缓;调制频率越大,控制效果越好;存在最佳占空比、载波频率和功率,占空比对流场控制效果的影响最显著,最佳占空比、载波频率和功率分别为20%,460kHz和50W。射频等离子体激励以体积力效应、热效应和诱导壁面射流改善失速流场,使得NACA0015翼型气动性能极大改善,流动分离得到有效控制。     

纳秒脉冲等离子体分离流控制频率优化及涡运动过程分析

将纳秒脉冲驱动的介质阻挡放电等离子体激励器应用到NASA SC（2）-0712翼型上,在迎角分别为15°和20°时,开展了在不同雷诺数下的分离流动控制研究。通过模型表面静压测量,得到了不同激励频率下的分离流动控制效果。对翼型表面压力进行分布积分,得到了在不同雷诺数和激励频率下的升力系数,表明分离流的控制效果有一个较宽的激励频率范围,只要激励频率落在相应的频带范围内,均能实现有效的分离抑制。流动显示结果表明,分离流的控制在瞬时表现为放电后可形成大尺度旋涡拟序结构。旋涡的周期性产生、运动和演化造成了分离剪切流动的动态变化过程,从而促进了高/低速气流的动态掺混。     

超临界机翼介质阻挡放电等离子体流动控制

为了进一步提高等离子体激励器可控雷诺数,采用测力以及粒子图像测速(PIV)等研究方法,从二维机翼到三维半模,从低雷诺数到高雷诺数,开展了对称布局式介质阻挡放电(DBD)等离子体激励器控制超临界机翼气动特性的试验研究,分析了控制机理,实现了等离子体"虚拟舵面"的功能。结果表明:在雷诺数为2×10⁶的情况下,对称布局式等离子体气动激励能较好地抑制超临界机翼绕流流场分离,使失速迎角推迟2°,最大升力系数提高8.98%。     

翼型动态失速等离子体流动控制试验

针对动态失速引起的翼型气动性能恶化的问题,利用小型化的激励电源和介质阻挡放电等离子体激励器,借助动态压力测量和外触发式粒子图像测速（PIV）等手段开展了翼型动态失速等离子体流动控制试验研究。结果表明,等离子体气动激励能够有效控制翼型动态失速,改善平均气动力,提高翼型气动效率,减小气动力随迎角变化的迟滞区域。等离子体诱导出前缘附近的贴体翼面涡,促进分离流再附;增加了上翼面0.2~0.4弦长区域的吸力,减小了升力系数功率谱密度（PSD）分布的二、三、四阶能量幅值,在研究工况下实现了平均升力系数增加7.1%、失速迎角推迟1.3°和迟滞区域减小4.5%的明显控制效果;4°~9°迎角段,等离子体使得翼型平均阻力系数减小40%。此外,振荡频率增加使翼型绕流的非定常性增强,较高雷诺数下的翼型动态分离涡更加难以被抑制,均需要增加等离子体激励强度才能达到较好的控制效果。     

大型民机翼型变弯度气动特性分析与优化设计

为了提高飞机巡航过程中升力系数、马赫数变化后的气动效率,大型民用运输机开始采用机翼变弯度技术。以典型远程宽体客机翼型为例,研究了翼型后缘变弯度对气动性能与压力分布的影响。利用代理模型建立了不同巡航设计工况下,翼型后缘弯度与气动性能的关系。以此为基础,提出了基于代理模型的大型民机翼型变弯度设计优化方法。算例研究表明,在给定巡航升力系数与马赫数下,该方法可以预测出翼型的最佳弯度,从而改善非设计点气动性能。该方法对大型民机机翼变弯度构型设计工作有一定的工程意义。     

Flow separation control on swept wing with nanosecond pulse driven DBD plasma actuators

A 15° swept wing with dielectric barrier discharge plasma actuator is designed.Experimental study of flow separation control with nanosecond pulsed plasma actuation is performed at flow velocity up to 40 m/s. The effects of the actuation frequency and voltage on the aerodynamic performance of the swept wing are evaluated by the balanced force and pressure measurements in the wind tunnel. At last, the performances on separation flow control of the three types of actuators with plane and saw-toothed exposed electrodes are compared. The optimal actuation frequency for the flow separation control on the swept wing is detected, namely the reduced frequency is 0.775, which is different from 2-D airfoil separation control. There exists a threshold voltage for the low swept wing flow control. Before the threshold voltage, as the actuation voltage increases, the control effects become better. The maximum lift is increased by 23.1% with the drag decreased by 22.4% at 14°, compared with the base line. However, the best effects are obtained on actuator with plane exposed electrode in the low-speed experiment and the abilities of saw-toothed actuators are expected to be verified under high-speed conditions.     

翼型尾缘低频大功率合成射流的动态载荷特性研究——A：实验方案设计

为了获得翼型在尾缘合成射流作用下的气动特性,针对NACA0015翼型,设计了适用于风洞研究的尾缘合成射流实验,设计内容包括实验模型的设计,低频大功率合成射流致动器的设计,以及测量方案的设计。该实验方案在伺服电机达到适当转速时,合成射流器能够达到较好的吹／吸气效果。通过调节地面气缸的行程和电机的工作频率,可以实现对喷口速度、频率等参数的调节,为研究合成射流动量系数和减缩频率对气动力和力矩的影响规律提供了便利。针对二元实验段,采用自行设计的二分量应变天平测量动态升力和力矩。该实验模型在二元风洞中顺利开展了相关实验研究。研究结果显示,当合成射流频率为3Hz时,升力系数的幅值约为0．16。因此,尾缘低频大功率合成射流可以使翼型获得较大的用于控制气动弹性的控制力。这种新型作动方式为未来飞行器气动弹性稳定性控制提供了一种新途径。     

Lift enhancement based on virtual aerodynamic shape using a dual synthetic jet actuator

The Dual Synthetic Jet Actuator (DSJA) is used to develop a new type of lift enhancement device based on circulation control, and to control the flow over the two-dimensional (2D) NACA0015 airfoil. The lift enhancement device is composed of a DSJA and a rounded trailing edge (Coanda surface). The two outlets of the DSJA eject two jets (Jet 1 and Jet 2). Jet 1 ejects from the upper trailing edge, which increases the circulation of airfoil with the help of the Coanda surface. Jet 2 ejects from the lower trailing edge, which acts as a virtual flap. The Reynolds number based on the airfoil chord length and free flow velocity is 250000. The results indicate that the circulation control method based on Dual Synthetic Jet (DSJ) has good performance in lift enhancement, whose control effect is closely related to momentum coefficient and reduced frequency. With the increase of the reduced frequency, the control effect of the lift enhancement is slightly reduced. As the momentum coefficient increases, the control effect becomes better. When the angle of attack is greater than 4°, the increments of lift coefficients under the control of DSJ are larger than those under the control of the steady blowing at a same momentum coefficient. The maximum lift augmentation efficiency can reach 47 when the momentum coefficient is 0.02, which is higher than the value in the case with steady blowing jet circulation control.