微型后缘装置增升效率及几何参数影响研究

 为满足现代大型飞机增升装置简洁高效的设计需求,以典型三段翼型为对象,采用数值模拟研究在后缘襟翼上增加微型后缘装置(mini-TED)以提高增升装置效率的可行性;给出了微型后缘装置的作用原理,获得了微型后缘装置位置、长度、偏度等几何参数对增升和升阻性能的影响规律。研究结果表明:微型后缘装置明显改变了襟翼后缘弯度,对襟翼流动产生有利诱导作用,拓展加长了增升装置的有效"气动弦长",是一种附加气动襟翼。其几何参数设计原则是:以长度l≤1.5%c(c为干净翼型弦长)、位于95%襟翼弦向位置前较为合适;偏度则可根据起降等飞行状态进行选择。与四段及其以上增升装置相比,微型后缘装置具有增升效果显著、结构简单、附加重量小和易于工程实现等优点,是一种极具潜力的新型增升技术,具有深入的研究价值和良好的应用前景。     

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。     

等离子体气动激励改善增升装置气动性能的试验

针对流动分离导致飞机增升装置气动性能下降的问题,进行了脉冲等离子体气动激励抑制增升装置流动分离的试验。研究了等离子体气动激励的频率、占空比及激励位置等参数对流动控制效果的影响。研究结果表明：等离子体气动激励通过加速近壁面附面层,增强附面层内的能量掺混,可有效抑制主翼和襟翼表面的流动分离,改善增升装置气动性能。在主翼前缘施加激励,可有效控制主翼表面大迎角下的失速分离,最大升力系数增大18.1%、临界失速攻角提高4°;在襟翼前缘施加激励,可有效抑制襟翼表面的流动分离,显著减小阻力,在4°迎角下,将试验模型阻力系数减小了28.7%,升力系数提高了7.1%。占空比对控制效果有较大影响,当占空比为10%～30%时,激励的非定常性更强,控制效果最好;占空比为50%的控制效果次之,占空比为100%时的控制效果最差。来流速度越高,逆压梯度越大,流动分离更难被抑制,控制效果也变差。该研究为在增升装置上应用等离子体流动控制技术提供了理论和方法的基础。     

复杂几何细节对增升装置气动性能影响研究

 采用数值模拟的方法研究了主翼翼根几何形状、翼吊发动机短舱、缝翼滑轨及襟翼滑轨舱等几何细节对增升装置气动性能的影响。研究结果表明:切割前缘缝翼时,将大部分翼根整流包留在主翼上会在大迎角下产生低能量的分离涡,造成增升装置气动性能显著恶化,而将大部分翼根整流包切割到前缘缝翼上,能破坏低能量分离涡的产生;大迎角下,短舱上表面、挂架表面及缝翼与挂架之间的间隙产生的分离气流会直接流到主翼上表面,形成大范围的死水区,因此,大尺寸的翼吊发动机短舱会造成增升装置失速迎角及最大升力系数的大幅减小,但安装在短舱适当位置、适当形状的涡流片产生的强漩涡能消除大部分的死水区,挽回部分气动性能损失;缝翼滑轨产生的低能量尾迹会混入主翼附面层,使其能量降低造成升力系数减小,极端情况下缝翼滑轨会直接诱发大范围的流动分离,造成增升装置气动性能的显著恶化;襟翼滑轨舱因其较大的几何尺寸会减小襟翼缝道的面积使得襟翼缝道射流加速,有利于吹走襟翼表面的物面分离。     

翼吊发动机短舱对增升装置气动特性影响研究

增升装置的气动效率对于全机整体性能有重要影响,而当代大多数跨音速运输类飞机均采用翼吊发动机布局。通过对有、无翼吊短舱的两个三维增升装置的数值模拟,研究了翼吊发动机短舱对于增升装置气动性能的影响。结果表明,翼吊发动机短舱会严重恶化增升装置的气动性能。流动机理分析表明,短舱挂架与机翼前缘结合处的缝翼缺口及大迎角时绕过短舱的分离气流是造成增升装置气动性能恶化的两个主要原因。     

等离子体激励用于两段翼型增升的试验研究

在NACA23018两段翼型上安装等离子体激励器,通过风洞测力和丝线流态试验,研究了等离子体对翼型最大升力和失速迎角的影响。研究表明,等离子体激励可以显著地增加NACA23018两段翼型的最大升力系数和失速迎角,来流风速20m/s时,最大升力系数增加52%,失速迎角增加12.4°。等离子体激励和前缘缝翼的作用类似,并且可以和后缘增升装置配合使用,在运输类飞机设计中有潜在的应用前景。     

GAW-1翼型前后缘变弯度气动性能研究

传统增升装置主要用于提高飞机起降气动性能。利用计算流体力学(CFD)的方法,引入了通用飞机翼型的前后缘变弯装置的概念,数值模拟了GAW-1翼型在爬升状态时,前缘变弯装置、后缘襟翼/副翼偏转以及前后缘装置综合偏转对翼型气动特性的影响。研究表明,前缘变弯装置可以有效地改善翼型的失速特性,失速迎角提高了3°左右,最大升力系数提高了4.56%;同时提高升阻比50%~120%;但在设计升力系数下,升力系数和阻力系数都略微减小。另一方面,后缘变弯装置可以改变最大升阻比所对应的迎角,以及在小迎角时,提高升力系数6%左右。翼型综合偏转可以在小迎角时增加升力系数,在大迎角时增加升阻比。     

民用飞机二维增升装置设计

为满足民机市场对飞机高效、经济的需求,飞机在巡航飞行阶段必须具有飞行速度高、阻力小等特性,具体到气动设计方面,就要求飞机的机翼具有较大的翼载荷,即减小机翼面积以减小阻力,这给飞机起飞着陆阶段使用的增升装置的设计提出更高的要求。运用计算流体力学的方法进行了民用飞机二维增升装置,即多段翼型的设计,得到了良好的设计结果,并验证了在二维增升装置设计过程中采用前缘缝翼外形设计——带前缘缝翼进行后缘襟翼外形设计——前后缘增升装置缝道参数优化——起飞、着陆构型协调的设计路线图的可行性与有效性。     

翼型动态失速DBD等离子体流动控制的数值模拟研究

进行了翼型深度动态失速及基于DBD介质阻挡放电等离子体激励器的流动控制技术数值模拟研究。将激励器对流动空气的作用以彻体力源项形式加入N-S方程。通过数值求解此N-S方程,研究了DBD激励器对NACA0012翼型俯仰运动深度动态失速的控制作用;研究了DBD激励器工作方式对动态失速平均气动力、气动力迟滞曲线的影响,提出了控制效果较好的激励器工作方式。     

Gurney襟翼增升效应数值模拟

飞机的增升系统是影响其起降性的重要因素,为了系统地研究Gurney襟翼增升效应,本文采用数值模拟方法与结构网格求解不可压缩的Navier-Stokes方程对NACA0012翼型和机翼进行了研究。通过改变Gurney襟翼的高度、弦向位置来研究其对翼型气动特性的影响,并将结果应用于矩形机翼,计算结果表明:在一定范围内,Gurney襟翼越高、越靠近后缘则增升效果越好,在三维机翼上也具有相似的效果。     

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。     

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。     

舰载机增升装置对薄翼型升力系数的影响研究

描述了增升装置在提高舰载机薄翼型升力系数方面的作用,观察到大偏角前缘襟翼小迎角时对翼型升力曲线的影响,并通过与试验现象对比,初步探讨了非线性作用形成的可能机理。利用数值模拟方法,通过有限元计算软件对相同流场中多种增升装置的升力系数进行了模拟与比较,从而达到合理设计舰载战机翼型的目的。CFD计算结果表明,所设计的二维多段翼型有良好的气动特性,升力系数得到提高,具有较好的增升效果。     

Numerical investigation of aerodynamic flow actuation produced by surface plasma actuator on 2D oscillating airfoil

Numerical simulation of unsteady flow control over an oscillating NACA0012 airfoil is investigated. Flow actuation of a turbulent flow over the airfoil is provided by low current DC surface glow discharge plasma actuator which is analytically modeled as an ion pressure force produced in the cathode sheath region. The modeled plasma actuator has an induced pressure force of about 2 k Pa under a typical experiment condition and is placed on the airfoil surface at 0% chord length and/or at 10% chord length. The plasma actuator at deep-stall angles(from 5° to 25°) is able to slightly delay a dynamic stall and to weaken a pressure fluctuation in down-stroke motion. As a result, the wake region is reduced. The actuation effect varies with different plasma pulse frequencies, actuator locations and reduced frequencies. A lift coefficient can increase up to 70% by a selective operation of the plasma actuator with various plasma frequencies and locations as the angle of attack changes. Active flow control which is a key advantageous feature of the plasma actuator reveals that a dynamic stall phenomenon can be controlled by the surface plasma actuator with less power consumption if a careful control scheme of the plasma actuator is employed with the optimized plasma pulse frequency and actuator location corresponding to a dynamic change in reduced frequency.     

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.     

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.     

毫秒脉冲等离子体激励改善飞翼的气动性能实验

在来流速度为30m/s时,进行了毫秒脉冲介质阻挡放电等离子体激励改善飞翼气动性能的风洞实验.等离子体激励器布置在飞翼前缘,峰峰值电压为9.5kV时,放电的脉冲能量在0.1mJ/cm量级.通过六分量测力天平测力研究了脉冲激励频率和占空比对升/阻力系数、升阻比和俯仰力矩系数的作用效果.结果表明:等离子体激励可以有效改善飞翼大攻角气动特性;在最佳无量纲脉冲激励频率F+≈1时,临界失速迎角由14°提高到17°,最大升力系数提高10%;占空比对流动控制效果影响较大,减小占空比可以降低能耗,实验中最佳占空比为5%;俯仰力矩系数的变化表明施加等离子体激励改善了飞翼纵向静稳定性.