层流流动主/被动控制技术

摩擦阻力在民机总阻力中占很大比重,减少摩擦阻力对改善民机性能和实现绿色航空具有重要意义。层流摩擦阻力远小于湍流摩擦阻力,因此扩大层流区,甚至实现全层流流动,是减阻的一个重要途径。目前形成了自然层流流动、全层流流动和混合层流流动控制(HLFC)3种层流流动主动控制技术。本文基于减阻和流动不稳定分析,对3种控制技术的概念、方法、优缺点、可带来的效益和应用层流流动控制技术的飞机的设计方法及维护(包括预防昆虫和冰粒等污染的措施)等方面作了较为系统的阐述。概要地介绍了X21A、Jetstar、Boeing 757等飞机的HLFC飞行试验验证项目,结果表明了层流流动主动控制技术的有效性和困难性。本文也从原理到飞行试验较为系统地介绍了一种层流流动被动控制技术。     

高雷诺数下机翼表面层流段长度对减阻量的影响

层流减阻技术是提高飞机经济性的重要手段,开展可应用于工程实践的层流减阻研究具有重要的意义。针对某民用飞机翼身组合体构型,采用数值模拟法分别研究雷诺数为1.0×107和1.8×107时全湍流以及机翼弦向保持7%、15%、20%、30%、40%层流段长度范围的减阻特性。结果表明:与全湍流情况相比,层流段长度的增加可以有效减小飞机阻力,增加升阻比;当层流段长度保持在40%时,飞机的减阻量可以达到11.0%左右,而升阻比可增加12.3%左右,且在较小雷诺数下有着更大的减阻收益;层流范围增加可有效减小摩擦阻力系数。     

超临界翼型吸气层流减阻控制数值研究

使用Fluent求解器,分别对超临界翼型上翼面全吸气及部分区域吸气时进行了层流减阻数值研究,探究了不同吸气系数及雷诺数对翼型转捩位置和阻力的影响规律.结果表明:①对上翼面全弦长范围进行吸气控制,能有效地推后转捩位置.当吸气系数超过某一值时,能够使上翼面达到全层流状态,从而减小翼型阻力;②只对上翼面15%~65%弦长区域内进行吸气控制,当吸气系数达到一定值时,可达到与全吸气时几乎相同的减阻效果;③其他飞行条件相同时,在较小雷诺数下,减阻效果较好.     

层流控制技术及对飞行器气动加热的影响研究

本文主要介绍了层流控制技术的基本原理和主要技术途径,分析了层流控制在飞机减阻和外表面红外隐身方面的作用。在低湍流度风洞中,利用萘升华试验,在NACA64A-204后掠机翼模型上,研究了吸气流量和压力梯度分布等对层流控制效果的影响,研究结果表明:前缘吸气可以抑制CF波的成长,吸气流量对层流区的范围有显著的影响,随着吸气流量增大,层流区范围逐渐增大。利用对称机翼模型,研究了层流控制对气动加热的影响,研究结果表明:层流控制技术可以显著扩大层流区的范围、减小气动加热、降低表面温度,前腔的吸气流量对层流控制效果起主导作用,并存在最佳值,吸气流量过大不会进一步改善层流控制效果,吸气流量过小则达不到最好的层流控制效果。     

二维翼型微吸吹气减阻控制新技术数值研究

 结合抽吸气转捩控制和微吹气湍流减阻控制的特点，探索了一种新的吸吹气减阻控制技术。使用Fluent求解器，并利用用户自定义函数(UDF)二次开发对其自带的Wilcox转捩模式进行了修正。在此基础上，数值研究了吸吹气控制对翼型阻力性能的影响。结果表明：在一定的吸气量范围内，吸气、吸吹气控制都能使翼型总阻力减小，且在同一雷诺数下，吸气控制能使翼型总阻力减小约3%，而吸吹气联合控制使翼型总阻力减小约16%。由此可见，吸吹气控制技术是一种行之有效的减阻控制技术。     

涂胶减阻

一、引言 60年代初,Kramer的“人造海豚皮”减阻实验之后,1976年Reif和Dinkelacker又注意到鲨鱼皮的纵向微槽可以减阻。这些仿生研究的启示,引起国内外相当一部分科学家来研究减少摩阻的问题。于是,减少摩阻的研究取得了新的进展。这主要表现在,除了基于维持层流边界层来减少摩阻的研究外,又提出了改变边界层内部形态来实现减阻的新概念。基于这个新的概念,提出了不少新的减阻措施。诸如柔顺壁或弹性壁的研     

后掠翼三维鼓包串激波控制参数的影响

针对跨声速后掠翼,三维鼓包串作为一种有效的减阻方式具有结构简单、高效及鲁棒性好等优点.利用全局优化算法探索了鼓包设计参数空间的整体特性,并对鼓包长度、三维鼓包展向设计参数对鼓包减阻效果的影响进行了研究,发现鼓包顶点位置和高度对阻力系数最敏感,三维鼓包的展向设计参数则对阻力系数不敏感,而鼓包长度和鼓包相对展长越长越有利于减阻.在此基础上开展了小后掠角自然层流机翼加3种不同类型鼓包串的优化研究,通过优化结果发现,增加优化后的三维鼓包串,可将小后掠角自然层流机翼阻力发散马赫数向后推移,并且鼓包平均长度和控制区越大,效果越好.三维鼓包串具有良好的局部控制特性,可用于局部较强激波的抑制.三维鼓包串对常规后掠翼波阻具有良好的控制效果,同时能够抑制激波诱导的机翼后缘气流分离.      

高马赫数层流摩阻数值计算精度

飞行器在高空高速飞行时黏性效应显著，摩阻预示精度对飞行器的关键气动性能意义重大。目前，摩阻预示主要依赖数值计算，但高马赫数层流摩擦阻力计算与试验测量结果仍存在差距。以具有高速飞行器典型部件特征的球锥、三角翼为对象，结合风洞试验摩阻测量结果，使用国家数值风洞（NNW）数值计算软件和自研CFD程序研究了数值计算中影响摩阻计算精度的格式数值耗散及壁面温度边界条件等重要因素。研究结果表明：数值耗散越小，表面摩阻的计算精度越高；在速度较低的边界层近壁区内关闭熵修正，将有助于提高表面摩阻的预示精度。此外，在高马赫数流动问题的数值模拟中，壁面温度条件对表面摩阻计算同样具有重要影响。最后，基于分析结果和工程需要提出了对高精度摩阻数值预示的研究需求。     

微型凸起流动控制用于翼型的减阻特性研究

微型凸起作为减小阻力的一种有效措施已经备受关注.开展了等熵压缩"弱激波"干扰鼓包用于RAE2822超临界翼型的减阻作用机制研究以及NACA0012对称翼型表面脊状结构减阻特性的数值模拟研究.结果表明:通过鼓包参数最优匹配,可达到弱化激波、减小波阻、提高升阻比、延缓抖振边界等目的;同时,通过对比不同脊状结构、不同网格密度对计算结果的影响,总结了多个速度下脊状表面的减阻规律.所得结论为进一步开展微型凸起类流动控制用于机翼的减阻特性研究奠定了坚实基础.     

壁面温度控制对平板边界层影响的数值研究

通过对零压力梯度的平板边界层流动施加温度控制,展开壁面温度控制对平板层流边界层和湍流边界层影响的研究,探索温度控制对平板转捩雷诺数和壁面摩擦阻力的影响规律。采用带有转捩模式的三方程湍流模型对平板边界层流动进行数值模拟,重点考察了壁面摩阻系数、平板转捩雷诺数、湍流边界层流动随壁面温度变化的规律。计算结果表明在壁面温度从288 K 增大到432 K 时,边界层转捩雷诺数增大约36%,表面摩擦阻力减少约9.6%。研究分析表明：加热控制使层流区域温度边界层内粘性作用增强,雷诺切应力和湍动能减小,流动更加稳定;而湍流区域边界层内粘性底层中速度梯度和粘性切应力减小,导致壁面处摩擦切应力减小。因此壁面加热控制可以延迟边界层转捩,减小湍流区摩阻系数,并减小平板摩擦阻力。     

后掠翼混合层流控制机制的实验

在低湍流度风洞中针对NACA64A-204翼型后掠翼模型进行混合层流控制(HLFC)实验研究.通过萘升华流动显示技术以及热线测量边界层速度的方法,研究了不同吸气量条件下HLFC对后掠翼转捩位置以及流动稳定性的影响.实验结果表明:无吸气的情况下,转捩出现在x/c≈0.4,标准和两倍抽吸量条件下,转捩位置可以达到80%弦长位置(最小压力点下游).HLFC方法可以减弱后掠翼边界层平均流的扭曲,降低扰动之间的非线性作用,减小不稳定扰动波的能量,延迟转捩获得更大的层流区.     

Numerical analysis and optimization of boundary layer suction on airfoils

Numerical approach of hybrid laminar flow control(HLFC) is investigated for the suction hole with a width between 0.5 mm and 7 mm. The accuracy of Menter and Langtry’s transition model applied for simulating the flow with boundary layer suction is validated. The experiment data are compared with the computational results. The solutions show that this transition model can predict the transition position with suction control accurately. A well designed laminar airfoil is selected in the present research. For suction control with a single hole, the physical mechanism of suction control, including the impact of suction coefficient and the width and position of the suction hole on control results, is analyzed. The single hole simulation results indicate that it is favorable for transition delay and drag reduction to increase the suction coefficient and set the hole position closer to the trailing edge properly. The modified radial basis function(RBF) neural network and the modified differential evolution algorithm are used to optimize the design for suction control with three holes. The design variables are suction coefficient, hole width, hole position and hole spacing. The optimization target is to obtain the minimum drag coefficient. After optimization,the transition delay can be up to 17% and the aerodynamic drag coefficient can decrease by 12.1%.     

二维翼型混合层流控制减阻技术试验研究

选择NACA0006系列层流翼型作为物理模型，使用FLUENT商用软件计算分析翼型表面压力梯度，结合对翼型后缘做局部优化修形增大顺压梯度范围以及在翼型前缘布置吸气控制单元并配套吸气装置形成混合层流控制减阻技术。风洞试验中应用红外成像技术测量翼型表面层流区域，探索研究了混合层流控制减阻技术的实用效果。试验结果表明：对翼型实施混合层流控制减阻技术后，明显增大了翼型表面的层流面积。     

基于升华法的后掠翼混合层流控制研究

在低湍流度风洞中针对45°后掠角NACA64A-204翼型模型,采用升华流动显示技术研究不同吸气量和不同迎角状态下混合层流控制（HLFC）对转捩位置的影响。结合热线方法测量流向速度研究扰动增长的机制。实验结果表明：萘升华流动显示技术适合用来研究HLFC方法对后掠翼转捩的影响,可以直观和准确地表示后掠翼上的转捩位置;在无吸气的情况下,随着迎角从-6°到2°增大,层流区长度先增大后减小;HLFC方法可以显著推迟由横流不稳定触发的转捩;在同一迎角下增加吸气量,可以更有效地减小主要扰动波的能量。     

Transition prediction and sensitivity analysis for a natural laminar flow wing glove flight experiment

Natural laminar flow technology can significantly reduce aircraft aerodynamic drag and has excellent technical appeal for transport aircraft development with high aerodynamic efficiency. Accurately and efficiently predicting the laminar-to-turbulent transition and revealing the maintenance mechanism of laminar flow in a transport aircraft’s flight environment are significant for developing natural laminar flow wings. In this research, we carry out natural laminar flow flight experiments with different Reynolds numbers and angles of attack. The critical N-factor is calibrated as 9.0 using flight experimental data and linear stability theory from a statistical perspective, which makes sure that the relative error of transition location is within 5%. We then implement a simplified e^N transition prediction method with a similar accuracy compared with linear stability theory. We compute the sensitivity information for the simplified e^N method with an adjoint-based method, using the automatic differentiation technique (ADjoint). The impact of Reynolds numbers and pressure distributions on TS waves is analyzed using the sensitivity information. Through the sensitivity analysis, we find that: favorable pressure gradients not only suppress the development of TS waves but also decrease their sensitivity to Reynolds numbers; there exist three special regions which are very sensitive to the pressure distribution, and the sensitivity decreases as the local favorable pressure gradient increases. The proposed sensitivity analysis method enables robust natural laminar flow wings design.     

民机自然层流机翼研究进展

新世纪航空市场对能耗、噪音等限制性要求继续加强,新一代民用飞机需要在气动减阻方面取得重大突破,自然层流机翼技术成为研究热点.总结了层流技术类别,回顾了自然层流机翼的主要研究历程,介绍了当前正在开展的欧洲TELFONA计划和美国ERA计划中的自然层流机翼的研究进展,概述了自然层流机翼应用情况和自然层流短舱,分析了自然层流机翼的实际应用难题,展望了自然层流技术在新一代民用飞机中的应用.     

Adaptive-surrogate-based robust optimization of transonic natural laminar flow nacelle

Natural Laminar Flow (NLF) technology is very effective for reducing the skin friction drag of aircraft engine nacelle, but the aerodynamic performance of NLF nacelle is highly sensitive to uncertain working conditions. Therefore, it’s imperative to incorporate uncertainties into the design of NLF nacelle. In this study, for a robust optimization of NLF nacelle and for improving its efficiency, an adaptive-surrogate-based robust optimization strategy is established, which is an iterative optimization process where the surrogate model is updated to obtain the real Pareto front of multi-objective optimization problem. A case study is carried out to validate its feasibility and effectiveness. The results show that the optimization increases the favorable pressure gradient region and the volume ratio of the nacelle by increasing its lip radius and reducing its maximum diameter. And the aerodynamic robustness of the NLF nacelle is mainly determined by the lip radius, maximum diameter of nacelle and location of the maximum diameter. Compared to the initial nacelle, the optimized nacelle maintains a wide range of low drag and high laminar flow ratio in the disturbance space, which extends the average laminar flow region to 21.6% and facilitates a decrease of 1.98 counts in the average drag coefficient.     

超临界自然层流机翼设计及基于TSP技术的边界层转捩风洞试验

为了实现绿色航空节能减排的目标，层流设计技术成为飞行器设计者的研究热点。对于跨声速客机而言，超临界自然层流机翼设计技术将显著减小飞行阻力，提升气动性能，减少燃油消耗和污染物排放。首先，基于高精度边界层转捩预测技术耦合翼型优化设计系统，实现超临界自然层流翼型设计；经过合理的翼型配置，形成超临界自然层流机翼。转捩数值模拟分析结果表明，超临界自然层流机翼的层流流动特性良好。然后，以比例为1：10.4的试验模型在荷兰高速低湍流度风洞进行边界层转捩风洞试验，使用温度敏感材料涂层（TSP）技术拍照获得机翼表面在不同马赫数、雷诺数和迎角工况下的层流-湍流分布。最后，通过超临界自然层流机翼边界层转捩试验结果，探讨了该类型机翼的转捩特性随来流参数的变化规律，总结了超临界自然层流机翼设计的关键因素。此外，该模型也可用来验证边界层转捩预测技术在超临界、高雷诺数工况下的预测精度。     

Numerical optimization of transonic natural laminar flow nacelles

Natural laminar flow nacelle is a promising technology for drag reduction. In this paper,an optimization platform is established for the design of transonic axisymmetric and threedimensional natural laminar flow nacelles for large civil aircraft. The platform adopts the class/shape transformation method for geometric parameterization, a four-equation transition model for transition prediction, and the differential evolution algorithm combined with the radial basis function surrogate model as the...