稳定射流环量控制的仿真研究

为改善飞行器的升阻特性,提高其机动性能,利用数值仿真技术对稳定射流在超临界翼型的作用效果进行研究。通过动量系数变化对环量控制作用效果影响规律的研究分析后发现:稳定射流环量控制与无射流情况对比,有较强的优越性,在小迎角或负迎角就可以产生较大的升力。通过对后缘半径和射流口高度的变化对环量控制作用效果影响规律的研究分析,得到圆形后缘超临界环量控制翼型的初步设计方法。计算结果可为进一步研究环量控制对飞行器的影响奠定理论基础。     

内吹式襟翼环量控制翼型升力响应特性

传统尖尾缘翼型通过控制迎角,综合利用襟翼、缝翼来改变升力,升力对迎角变化的时间响应历程可以用Wagner函数来描述,而内吹式襟翼（IBF）主要通过控制分离来拓展最大升力,并在一定范围内通过调节射流强度改变驻点位置和环量来对升力进行有效控制,其升力随吹气动量变化的时间响应尺度是否与传统尖尾缘翼型相同还不是很清楚。本文主要研究内吹式襟翼升力响应过程,并将其与传统尖后缘翼型升力响应特性进行对比。首先通过某襟翼偏角为30°的双圆弧环量控制翼型对数值方法进行验证,再对某最大厚度为18%弦长的亚声速翼型内吹式襟翼定常吹气控制下的流场进行非定常数值模拟,并分析了其中的瞬态特征。结果表明内吹式襟翼环量控制翼型对激励响应的时间依赖特征与Wagner函数有很好的相互关系,并可以用该函数来描述。     

定常吹气对无缝襟翼翼型地面效应影响的数值模拟

随着对生产成本、性能和可靠性、环境要求的不断提高,未来运输类飞机的发展趋势是具有更大的载重、更短的起降距离、更低的污染排放和噪声,因此迫切需要采用更高效和简单的增升和控制技术,而采用狭缝吹气的主动流动控制增强升力的方式已经被证明是最值得研究推广的应用技术之一。而在分析飞机起降性能时,必须要考虑到地面效应的影响,因此有必要对采用吹气进行增升的翼型地面效应进行研究。通过数值模拟方法研究了定常吹气对某无缝襟翼翼型地面效应的影响,研究表明,近地面在襟翼前缘施加吹气控制后,与远地面施加定常吹气控制相比,翼型升力线斜率和升力明显降低;小迎角下,动量系数为0.005时,升力随着距地高度的减小先减小后增加,动量系数增加到0.01后,升力随着距地高度的减小而减小;无缝襟翼翼型在不同动量系数和不同距地高度时出现的不同程度升力减小的现象,能直接影响飞机的起降性能,是采用吹气控制进行增升设计时必须考虑的因素。     

前缘下垂结合内吹式襟翼失速特性研究

内吹式襟翼具有高效的增升能力,但失速迎角在较高的吹气动量系数下下降明显,为改善其失速特性,研究内吹式襟翼加装前缘下垂后的失速特性。对前缘下垂结合无缝襟翼的亚声速翼型在环量控制作用下的流场进行数值模拟,研究吹气动量系数对失速特性的影响规律,前缘刚性偏转、弯度变化和厚度变化对失速特性的改善作用,以及改变襟翼偏角研究前缘下垂的作用效果。结果表明：随着吹气动量系数的增加,失速迎角先迅速下降再略微增加;前缘下垂装置减小了翼型上表面逆压梯度,延缓了翼型边界层动量厚度随迎角增加而增加的趋势,能有效提高失速迎角;通过逐渐改变前缘表面曲率,实现了前缘下垂设计对失速特性改善的最好效果。     

Novel roll effector based on zero-mass-flux dual synthetic jets and its flight test

The autonomous and controllable Dual Synthetic Jet Actuator (DSJA) is firstly integrated into the Unmanned Aerial Vehicle (UAV), and flight tests without the deflection of rudders are carried out to verify the viability of DSJA to control the attitudes of UAV during cruising. DSJA is improved into an actuator with two diaphragms and three cavities, which has higher energy levels. Actuators, differentially distributed on both sides of the wings, are installed on the trailing edge close to the wing tips. Flight tests, containing Differential Circulation Control (DCC) using double-side actuators, Positive Circulation Control (PCC) using left-side actuators and Negative Circulation Control (NCC) using right-side actuators, are implemented at cruising speed of 25 m/s. Results show that roll attitude control without rudders could be realized by DSJAs. DCC and NCC can generate the rightward roll and yaw angular velocity, prompting UAV to turn right. The stronger controlling ability can be achieved by DCC, with the maximum roll angular velocity of 15.62 (°)/s. PCC can generate a rightward roll moment, but a leftward yaw moment will be produced at the same time. Leftward yaw induces the leftward rolling moment, which weakens the roll control effect, making UAV keep to yaw to the left with a small slope.     

扇翼飞行器翼型附面层控制数值模拟

基于扇翼飞行器翼型特殊的几何形状及流场特性,在原有翼型的弧形槽下方和后缘加装控制阀门,通过调节阀门开启及开启尺寸的大小,利用弧形槽低压涡所产生的吸力对翼型后缘的附面层进行一定的控制,达到增升减阻的效果。通过采用计算流体力学的方法对其机理及阀门开启尺寸的影响进行了详细计算和分析,研究表明当阀门开启的尺寸为10 mm时,修改翼型的最大升力系数、失速迎角及相同迎角下的升力系数和推力系数均大于基本翼型;随着阀门开启尺寸的增大,修改翼型的最大升力系数和失速迎角均减小,但是在失速前,修改翼型在相同迎角下的升力系数大于基本翼型。此方法可以改变先前通过增大横流风扇的转速来提高其气动性能的做法,减小了能量的消耗,增大了整个飞行器的航程,为扇翼飞行器能够早日投入实际运用奠定了一定的理论基础。     

环量控制机翼增升及滚转控制特性研究

环量控制作为一种高效的主动流动控制技术,在飞行器的气动改善、姿态控制方面具有巨大潜力.本文设计一套可以实现向下吹气的环量控制装置,并将其应用于飞行器进行气动控制.首先,通过数值模拟选取环量控制参数,同时分析环量控制翼型的气动特性.通过风洞实验,对同尺寸常规舵面模型和带有环量控制装置的模型进行气动力和气动力矩研究;采用粒...     

脉冲吹气对无缝襟翼翼型气动性能的影响

只有采用足够小的能量输入,获取更大的空气动力收益后,主动流动控制才有可能在真实飞机上获得更广泛的应用。脉冲吹气比定常吹气所需能量更少,控制效果更好,在改善翼型气动性能上得到广泛的研究。数值模拟了脉冲频率、占空比、动量系数等参数对无缝襟翼翼型升阻特性的影响规律,研究表明,脉冲频率接近于涡脱落频率时增升效果最好,当脉冲频率小于涡脱落频率时,阻力增加,当脉冲频率为涡脱落频率2倍时,阻力减小最多;动量系数较小时,占空比越小,冲击效应越强,增升效果越好;动量系数小于临界动量系数时,脉冲吹气增升效果优于定常吹气,当动量系数大于临界动量系数时,脉冲吹气控制效果低于定常吹气。研究脉冲吹气参数对翼型性能的影响规律,对采用周期性激励增升减阻、舵面增效的飞行器设计具有一定参考意义。     

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°。     

翼型喷气增升效应的数值模拟

应用数值方法模拟了飞行器升力面下表面喷气的增升作用。数值模拟的出发方程是Ｎ－Ｓ方程,格式为Ｂｅａｍ－Ｗａｒｍｉｎｇ格式的改进型。模拟结果表明：喷气增升主要是通过改变上、下翼面的压力分布实现的。在一定范围内升力随气流出口速度增加而加大,气流出口速度超过一定值后升力开始下降。喷口位置后移增升效果较好。单一增大气流出口压力时增升效果无明显变化。     

Microtab对风力机叶片翼型气动特性的影响研究

选取S814风力机叶片翼型进行了二维几何建模和计算网格划分,通过求解Navier—Stokes方程对翼型的空气动力特性进行了数值模拟,并与实验数据进行了对比分析,验证了计算模型及求解器的可靠性。对S814翼型后缘加载Microtab进行了气动数值模拟,分析了其流场和空气动力特性。计算结果表明：风力机叶片翼型后缘加载Mierotab可以改变翼型的环量,达到增升的目的,与此同时伴随一定阻力的增加,但升阻比得到小幅的提升。     

大型低速翼型风洞侧壁边界层控制系统研制

介绍了NF-3大型低速翼型风洞多喷嘴级联吹气侧壁边界层控制系统的结构和原理。为验证本系统的功能和性能,采用侧壁吹气方案并使用增量式PID控制算法进行气源压力的控制,对具有增升装置的GAW-1翼型进行了侧壁边界层吹除试验研究。试验结果表明：（1）使用侧壁吹气系统后翼型模型中间截面最大升力系数由2．79增加到2．84,增加幅度1．8％,且模型端面截面的升力系数与中间截面的升力系数基本上相等;（2）利用增量式PID控制算法对气源压力的精确控制较好地完成了风洞侧壁吹气功能,改善了翼型表面流动,减小了侧壁边界层对翼型试验结果的影响。     

Mini-TED跨声速气动特性及其增升机理

通过求解二维可压Navier-Stokes方程,研究了NACA0012翼型加装微型后缘增升装置（mini-TED）后的跨声速流场特性,与Gurney flap （GF）对比分析了几何参数对mini-TED后方涡系及翼型气动特性的影响.将mini-TED的几何细节参数定义为弦向长度和有效高度,两者方向正交.在相同迎角下仅改变mini-TED的弦向长度,后缘涡系结构虽发生变化,但翼型气动力几乎没有影响;反之仅改变有效高度则后缘涡系和翼型气动力系数同时发生明显改变,且与同等高度下的GF气动系数相近.结果表明：有效高度是影响翼型气动特性的决定因素.有效高度改变了mini-TED后涡系的发生范围,而相对于整个翼型绕流,后缘涡系的大小是影响翼型流场最重要的因素,而涡系的微观结构和形态的改变影响相对很小.加装mini-TED后上表面激波位置后移、下表面激波强度削弱,从而翼型表面压力分布特性发生了改变.随有效高度增大,mini-TED诱导的涡系发生区域随之增大,引流作用增强,翼型升力系数、阻力系数和低头力矩系数提高,同时相同迎角下翼型的升阻比明显提高.     

螺旋桨滑流对简单襟翼吹气控制的影响

为探究螺旋桨滑流对无缝简单襟翼吹气控制的影响,设计了集成吹气系统和螺旋桨的高升力翼型模型,开展了简单襟翼吹气控制的测压和粒子图像测速仪(PIV)流场测试试验,在不同拉力系数下,研究了定常吹气和脉冲吹气对模型不同展向截面的控制效果。结果表明:滑流影响下控制效果具有明显的三维效应,在相同吹气动量系数下,滑流强度较大的截面具有较高的吹气控制效率;对于脉冲吹气,滑流强度较小时,基于襟翼弦长的最佳无量纲频率约为0.31;在最佳频率的吹气可在较低动量系数下实现较大的增升量;最佳频率受滑流强度影响明显。研究结果对高效的吹气襟翼设计提供了试验依据,提出了螺旋桨滑流影响下的吹气襟翼设计建议。      

激波控制鼓包提高翼型跨声速抖振边界

翼型抖振边界是仅次于升阻比的一项重要气动指标.采用定常雷诺平均Navier-Stokes方程,以升力线斜率平缓及激波位置振荡作为基本判据确定了RAE2822翼型在指定跨声速来流条件下的抖振边界.通过大量计算流体力学(CFD)验证,针对RAE2822翼型设计了一种特定外形的激波控制鼓包并确定了其具体安装位置.该激波控制鼓...     

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。     

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。     

Effect of flexibility on unsteady aerodynamics forces of a purely plunging airfoil

Introducing flexibility into the design of a vertically flapping wing is an effective way to enhance its aerodynamic performance. As less previous studies on the aerodynamics of vertically flapping flexible wings focused on the lift generated in a wide range of angle of attack·a 2D numerical simulation of a purely plunging flexible airfoil is employed using a loose fluid–structure interaction method. The aerodynamics of a fully flexible airfoil are firstly studied with the flexibility and angle of attack. To verify whether an airfoil could get aerodynamic benefit from the change in structure, partially flexible airfoil with rigid leading edge and flexible trailing edge were further considered. Results show that flexibility could always reduce airfoil drag while lift and lift efficiency both peak at moderate flexibility. When freestream velocity is constant, lift is maximized at a high angle of attack about 40° while this optimal angle of attack reduces to 15° in drag-balanced status. The airfoil drag reduction, lift augmentation as well as efficiency enhancement mainly attribute to the passive pitching other than the camber deformation. Partially deformed airfoil with the longest length of moderate flexible trailing edge can achieve the highest lift. This study may provide some guidance in the wing design of Micro Air Vehicle (MAV).     

褶皱位置对蜻蜓滑翔翼气动性能的影响

改变昆虫翅膀的褶皱结构可以优化翼型的气动性能,有利于微型飞行器的气动设计。以蜻蜓翼作为参考,采用计算流体力学（CFD）的方法计算了攻角范围为0°~20°,雷诺数范围为700~2300时褶皱位于前缘、尾缘和中部位置时三种翼型的滑翔气动性能。结果表明:在不同攻角和雷诺数下,褶皱位于尾缘的翼型具有最大的升力系数和升阻比,滑翔气动性能最优;当雷诺数为1500,攻角为10°时,褶皱位于尾缘的翼型时均升力系数分别比位于前缘和中部的翼型提高了58%和82%,升阻比分别提高了49%和33%;这是由于尾缘褶皱中的涡起到了延缓前缘涡脱落的作用,使前缘涡更为集中,更贴近壁面。      

仿生学翼型尾缘锯齿降噪机理

采用大涡模拟与声类比的方法研究了尾缘锯齿对翼型自噪声的影响。以SD2030翼型为研究对象,设计的尾缘锯齿幅值为10%弦长,周期为4%弦长。模拟了来流速度为31 m/s、0° 攻角下直尾缘翼型与锯齿尾缘翼型的流场,对应的基于弦长的雷诺数约为310 000。详细分析了尾缘锯齿对翼型尾缘湍流流场的影响,并通过FW-H方程计算大涡模拟提取的声源项,得到直尾缘翼型与锯齿尾缘翼型的声场。研究发现,锯齿尾缘可以明显降低翼型中低频范围内的噪声,在4 000 Hz以下,窄带噪声最多可降低约16 dB。但尾缘锯齿对翼型气动性能有着不利影响。进一步研究表明,该状态下翼型噪声主要由层流边界层引起的涡脱落噪声主导,尾缘锯齿可以抑制层流边界层引起的涡脱落现象,降低翼型升力脉动与尾缘附近的表面压力脉动,减弱尾缘处的低频湍流脉动与涡量,并有效降低尾缘附近涡的展向相关性,这些因素的综合作用使得翼型自噪声降低。