翼上螺旋桨构型耦合气动特性及翼型优化设计

针对半环形式翼上螺旋桨构型,研究了螺旋桨-机翼耦合流场特性,并以短距起降（STOL）状态最优升阻特性为目标对机翼翼型进行全局优化。首先,针对螺旋桨-气动面耦合构型,通过动量源法与真实桨叶模型CFD的计算对比,分析动量源法用于该构型设计分析的可行性。其次,为得到有利于桨-翼耦合特征的新翼型,建立了翼上螺旋桨构型自由型面变形（FFD）参数化模型,采用遗传算法对翼上螺旋桨构型机翼翼型进行全局寻优设计,分析了优化翼型参数及流场变化规律。最后,将优化翼型用于三维半环形机翼,分析其流场特性与二维计算结果的异同,验证二维翼型优化的有效性。结果表明：真实桨叶多重参考系（MRF）方法不能准确计算翼上螺旋桨构型下的流场结构,而动量源法计算结果与真实桨叶滑移网格非定常方法较为吻合;采用二维动量源CFD方法进行翼型的遗传算法优化是有效的,受半涵道的保护,二维优化翼型的优势在三维构型中得到了有效继承;翼上螺旋桨构型的翼型优化应当着重关注翼面曲率变化,在本文计算状态下,通过增加桨盘附近翼面曲率、保持附着流动来加强Coanda效应,有效实现了气动增升,优化后机翼升力提高了22.51%,显著减弱桨盘后高压区并产生二次吸力峰值,同时保持了机翼负阻力特性。     

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。     

翼型分离流动的等离子体控制数值分析方法研究

利用等离子体进行流动控制是当前的研究热点之一.本文研究通过数值方法模拟等离子体对流场作用的实现方法,及利用数值模拟方法研究翼型大迎角分离流动的等离子体控制.利用CFD软件Fluent中的自定义函数接口,通过C语言编程在软件中引入DBD等离子体激励模型外加体积力源项,对NACA0015翼型大迎角下的等离子体控制进行数值模拟.验证DBD等离子体激励在抑制流动分离与增升减阻方面的作用.结果表明：流动控制效果与DBD激励器布置位置有直接关系;激励器的数量与激励强度均会影响流动控制作用.     

翼型动态失速影响因素及流动控制研究进展

深入认识翼型动态失速，结合有效流动控制手段，对解决直升机、风力机桨叶等动态失速引起的高阻力、大低头力矩等气动问题具有重要意义。本文首先介绍了翼型动态失速的流场特点和危害，进而分析了缩减频率、雷诺数、马赫数以及翼型型面等参数对动态失速的影响，并在此基础上总结了常见的动态失速流动控制方法及其研究进展。等离子体气动激励易于产生快速、可控的宽频带气动激励，在动态失速控制领域具有潜力，本文着重介绍了等离子体气动激励动态失速控制的概念和流动控制原理，总结了近来年等离子体激励在翼型动态失速控制上的进展。     

低雷诺数翼型局部振动非定常气动特性

针对低雷诺数翼型特殊的气动特性,采用基于动网格的非定常数值模拟方法,研究翼型表面不同弦向位置的局部蒙皮以不同频率及振幅振动时对低雷诺数翼型气动特性及流场结构的影响,揭示蒙皮振动增升减阻的机理。研究表明,在低雷诺数条件下局部蒙皮振动可有效提高翼型气动特性,与刚性翼型相比蒙皮局部振动可使翼型升力系数提高,阻力系数降低,升阻比提高。振动位置对翼型气动特性及流场结构有显著的影响,振动表面位于翼型前缘附近或位于层流分离泡中心时可有效控制翼型层流分离,从而提高翼型气动特性。振动频率对翼型表面层流分离及转捩位置均有显著的影响,随着振动频率增加,翼型气动特性出现最优值。与刚性翼型相比,表面振动使翼型转捩位置略向上游移动,摩擦阻力增加,但振动使等效翼型相对厚度减小,压差阻力明显减小。在小幅振动范围内,随着振幅增加,流场非定常特性更加显著,翼型升阻比增加。     

高速风洞等离子体流动控制实验技术研究

针对开展等离子体高速流动控制研究的技术需求,通过专用模型及实验机构设计、绝缘密封走线、多层电磁屏蔽等技术手段,建立了一套适用于高速风洞的等离子体流动控制系统,提出了等离子体高速流动控制风洞实验的技术规范和运行策略,并初步探索了等离子体激励对二元翼型绕流的控制规律。采用该技术后,解决了高压电缆的绝缘、密封走线问题,模型与实验机构的感应电压减小90％以上。风洞实验结果表明：实验系统运行稳定,实验数据可靠,等离子体激励对犕犪＝0．2的流动可实现有效控制;施加等离子体激励后,NACA0012翼型的流动分离明显减弱,升力增大,阻力减小,临界失速迎角增大2＆#176;,最大升力系数增大4％,总体气动性能得到显著提升。     

等离子体热效应对NACA0012翼型增升减阻的研究

基于等离子体热效应机理,在来流速度为34m/s和攻角0～12°内,对NACA0012翼型在等离子体激励下的流场特性进行数值模拟。通过研究等离子体激励的位置和数量对翼型的升阻力特性的影响,得出翼型增升减阻的最佳位置和数量。为保证计算模型的准确性,将未激励的翼型流场参数与NASA实验数据进行对比验证。结果表明:未激励翼型的流场计算参数与实验结果吻合度较高;在等离子体单激励下,最佳减阻位置位于翼型下表面的前缘,最佳增升位置位于翼型下表面的后缘,且二者受攻角的影响较大;在翼型下表面的前缘和后缘同时施加激励时,翼型的减阻比约为20%,最大增升比为52%。     

基于特征正交分解的跨声速流场重构和翼型反设计方法研究

在二维流场的重构问题中应用特征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition,POD)数据处理方法。利用CFD技术计算得到的流场快照对气动力模型进行降阶,然后利用基于POD的降阶模型(Reduced Order Model,ROM)对所需的流场参数进行重构,在快照范围内可以得到高精度的结果,且具有一定的外插能力。在翼型反设计问题中该方法仍然是成功的,通过修正快照向量,利用基于POD降阶模型的数据重构方法,由已知的翼型表面压力分布通过反设计就能够高效精确地得到对应的最优翼型形状,这极大地简化了翼型反设计问题。本文分别在跨声速范围对RAE 2822翼型的流场重构和Korn翼型及NACA 63212翼型的反设计进行了验证,证明了基于POD的流场重构和翼型反设计方法的有效性和高效性。     

涡格法中Multhopp离散的超收敛性的进一步研究

在中弧线为四阶以下多项式的二维薄翼绕流问题的研究中，Ｍｕｌｔｈｏｐｐ离散超收敛性的证明展示了涡格法中优化的离散化格式的潜力。本文把这一研究扩展到中弧线为任意Ｎ阶多项式的二维薄翼绕流的一般情况。通过误差分析，证明了Ｍｕｌｔｈｏｐｐ离散对该问题可以得到离散化误差为零的翼面涡密度、升力和俯仰力矩，唯一的要求是使用的离散元数目应大于［（Ｎ＋１）／２］。     

应用协同射流原理的旋翼翼型增升减阻试验研究

协同射流技术作为一种新型主动流动控制技术,是突破旋翼翼型高增升减阻设计的最有潜力的发展方向之一。以 OA312 旋翼翼型作为基准翼型,研制微型涵道风扇组为驱动的旋翼翼型 CFJ 风洞测力模型,开展基于前缘高负压零质量内循环协同射流原理的旋翼翼型高增升减阻低速风洞试验,研究吹气口大小、吸气口大小和上翼面下沉量等基础参数对增升减阻的影响规律,探讨 CFJ 旋翼翼型关键参数最佳取值。结果表明：与OA312 基准翼型相比,小攻角状态时,CFJ 旋翼翼型可显著降低阻力系数,甚至出现“负阻力”现象,实现了零升俯仰力矩基本不变;大攻角状态时,CFJ 旋翼翼型可显著提升最大升力系数和失速迎角,其中,最大升力系数可提升约 67.5%,失速迎角推迟了近 14.8°。     

Leading-edge flow separation control over an airfoil using a symmetrical dielectric barrier discharge plasma actuator

In order to promote an in-depth understanding of the mechanism of leading-edge flow separation control over an airfoil using a symmetrical Dielectric Barrier Discharge(DBD) plasma actuator excited by a steady-mode excitation, an experimental investigation of an SC(2)-0714 supercritical airfoil with a symmetrical DBD plasma actuator was performed in a closed chamber and a low-speed wind tunnel. The plasma actuator was mounted at the leading edge of the airfoil.Time-resolved Particle Image Velocimetry(PIV) results of the near-wall region in quiescent air suggested that the symmetrical DBD plasma actuator could induce some coherent structures in the separated shear layer, and these structures were linked to a dominant frequency of f0= 39 Hz when the peak-to-peak voltage of the plasma actuator was 9.8 kV. In addition, an analysis of flow structures without and with plasma actuation around the upper side of the airfoil at an angle of attack of18° for a wind speed of 3 m/s(Reynolds number Re = 20000) indicated that the dynamic process of leading-edge flow separation control over an airfoil could be divided into three stages. Initially, this plasma actuator could reinforce the shedding vortices in the separated shear layer. Then, these vortical structures could deflect the separated flow towards the wall by promoting the mixing between the outside flow with a high kinetic energy and the flow near the surface. After that, the plasma actuator induced a series of rolling vortices in the vicinity of the suction side of the airfoil, and these vortical structures could transfer momentum from the leading edge of the airfoil to the separated region, resulting in a reattachment of the separated flow around the airfoil.     

Calculation and optimization of aerodynamic characteristics of airfoils with jet blowing in the presence of vortex in the flow

We consider the problem of calculating the ideal non-compressible fluid flow around the airfoil with jet blowing through a channel in the presence of a point vortex with a given circulation in the flow. The effect of the vortex coordinates on the aerodynamic characteristics of the airfoil is investigated and the optimal position of the vortex for maximal lift is found.     

基于全局信息的粒子群算法翼型综合优化设计

 翼型优化往往需要考虑众多的设计目标和约束条件,对此发展了稳健高效的翼型综合优化方法。在粒子群优化算法中用繁殖策略深度挖掘由Kriging代理模型所获取的全局信息,对基准函数优化、翼型几何外形重构与层流翼型优化问题进行了测试,结果表明该算法可大幅度提高优化速度。将改进的Hicks-Henne翼型参数化方法和雷诺平均Navier-Stokes(N-S)方程流场求解器与优化算法相结合,采用可方便确定权重系数的多目标非线性适应值加权方法,分别对多点、多目标和多约束的超临界翼型与低速翼型进行综合优化,计算结果表明该方法可大大提高气动外形优化的工程实用性。     

多段翼型局部主动变形流动控制的非定常数值模拟

对30P30N三段翼型失速攻角附近的分离流动进行了数值模拟研究。为了抑制大攻角时背风区的流动分离,在主翼段上表面引入了行波壁变形模型和抛物型局部主动振动模型,利用作者以往发展的动态混合网格技术和相应的非定常计算方法,对变形过程中的非定常分离流动进行了数值模拟,分析了各种变形参数对流动分离的影响。计算结果表明,在适当的条件下,局部主动变形能够抑制翼型背风区的分离,由此可以起到增升减阻的作用,改善翼型的气动性能。     

大湍流度对超低雷诺数下翼型受力及绕流的影响

实验测量了超低雷诺数(Re=5 300)下 NACA 0012翼型在自由来流下的升力系数和阻力系数,重点研究来流的湍流度对升力系数和阻力系数的影响,并进一步通过对翼犁流场的研究揭示湍流度对翼型受力产生影响的机理.结果显示,低湍流度下升力系数和阻力系数均无失速特征;当湍流度提高,升力系数和阻力系数在12°～15°迎角下表...     

介质阻挡放电等离子体对翼型流动分离控制的实验研究

在低速开口风洞中进行了等离子体激励器对NACA0015翼型流动分离控制的实验研究。采用PIV技术,对翼型绕流流场进行了测量,显示了施加等离子体激励后流场的变化。通过五分量天平对升力和阻力的测量,研究了激励电压和激励频率对翼型流动分离控制的规律。研究表明,低风速下在翼型前缘施加等离子体激励,能够有效地控制翼型流动分离,在来流为20m／s时,最大升力系数增加11％,失速迎角增加6°;在给定的流动状态下,激励电压和激励频率存在一个阈值,不同迎角下该阈值不同,迎角越大,分离越严重,对激励强度的要求也越高。     

涡襟翼在不同雷诺数下的控制分离特性研究

受鸟类抬起羽毛控制分离流的启发,涡襟翼成为翼型大迎角分离流的控制措施之一。采用数值模拟方法研究不同雷诺数下涡襟翼在控制翼型大迎角分离流动时的气动特性及其物理机制。结果表明：涡襟翼在低雷诺数下能够极大地改善翼型的大迎角升力特性,其物理机理是涡襟翼将翼型主分离涡的涡心位置控制在离翼型更近的区域,且涡心位置的涡量得到大幅提升,使得涡心附近的低压特性影响到翼型上表面,而且涡襟翼能够将翼型上方前区的低压与下游的高压隔开;但是在高雷诺数（对应常规飞机雷诺数）下涡襟翼改善翼型大迎角气动特性的效果远不如低雷诺数情况,由此解释了为什么鸟类能够通过羽毛抬起提高升力特性,而常规飞机的涡襟翼只能作为阻力板使用的原因。     

基于等离子体激励器简化模型的流动分离控制

对等离子体激励器做简化模型,并研究简化模型对于NACA0015翼型流动分离的控制效果.通过改变激励器在翼型上表面的位置及激励强度的大小,研究了实施流动控制的较佳位置及强度的大小.数值模拟结果表明,在前缘点附近加入控制的作用要优于其它位置;且激励强度对于流动控制的效果有极大的影响,大的激励强度有好的控制效果.此控制方法可以有效地延迟流动的分离,达到增升减阻的目的.是一种有前途的流动主动控制方法.     

Application of Active Flow Control Technique for Gust Load Alleviation

A new gust load alleviation technique is presented in this paper based on active flow control. Numerical studies are conducted to investigate the beneficial effects on the aerodynamic characteristics of the quasi "Global Hawk" airfoil using arrays of jets during the gust process. Based on unsteady Navier-Stokes equations, the grid-velocity method is introduced to simulate the gust influence, and dynamic response in vertical gust flow perturbation is investigated for the airfoil as well. An unsteady surface transpiration boundary condition is enforced over a user specified portion of the airfoil’s surface to emulate the time dependent velocity boundary conditions. Firstly, after applying this method to simulate typical NACA0006 airfoil gust response to a step change in the angle of attack, it shows that the indicial responses of the airfoil make good agreement with the exact theoretical values and the calculated values in references. Furthermore, gust response characteristic for the quasi "Global Hawk" airfoil is analyzed. Five kinds of flow control techniques are introduced as steady blowing, steady suction, unsteady blowing, unsteady suction and synthetic jets. The physical analysis of the influence on the effects of gust load alleviation is proposed to provide some guidelines for practice. Numerical results have indicated that active flow control technique,as a new technology of gust load alleviation, can affect and suppress the fluid disturbances caused by gust so as to achieve the purpose of gust load alleviation.     

Aerodynamic performance enhancement for flapping airfoils by co-flow jet

Introducing active flow control into the design of flapping wing is an effective way to enhance its aerodynamic performance. In this paper, a novel active flow control technology called Co-Flow Jet (CFJ) is applied to flapping airfoils. The effect of CFJ on aerodynamic performance of flapping airfoils at low Reynolds number is numerically investigated using Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes (URANS) simulation with Spalart-Allmaras (SA) turbulence model. Numerical methods are validated by a NACA6415-based CFJ airfoil case and a S809 pitching airfoil case. Then NACA6415 baseline airfoil and NACA6415-based CFJ airfoil with jet-off and jet-on are simulated in flapping motion, with Reynolds number 70,000 and reduced frequency 0.2. As a result, CFJ airfoils with jet-on generally have better lift and thrust characteristics than baseline airfoils and jet-off airfoil when C_μ is greater than 0.04, which results from the CFJ effect of reducing flow separation by injecting high-energy fluid into boundary layer. Besides, typical kinematic and geometric parameters, including the reduced frequency and the positions of the suction and injection slot, are systematically studied to figure out their influence on aerodynamic performance of the CFJ airfoil. And a variable C_μ jet control strategy is proposed to further improve effective propulsive efficiency. Compared with using constant C_μ, an increase of effective propulsive efficiency by 22.6% has been achieved by using prescribed variable C_μ for NACA6415-based CFJ airfoil at frequency 0.2. This study may provide some guidance to performance enhancement for Flapping wing Micro Air Vehicles (FMAV).