基于离散协同射流的翼型增升减阻方法

协同射流是一种近壁面流动的高效、低能耗主动控制技术。重点开展了一种应用离散协同射流的二维翼型增升减阻效应的数值模拟研究,分析了离散协同射流的堵塞度和喷口密集度等关键参数对流场结构、气动特性、功率消耗及能量利用率的影响效应与作用规律。在施加离散协同射流措施后,能够使翼型近壁面空间流场更有效地产生较强的相干涡结构,使得射流与主流及边界层充分混合,可显著提高同等迎角下的升力系数、明显减小阻力系数,最大升力系数提高近150%,失速攻角推迟约5°。研究表明:离散协同射流是一种显著提高翼型性能的高效流动控制方法。     

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°。     

地面效应对射流增升翼型性能影响实验研究

采用射流控制可以有效增加飞机升力、改善起降性能,而地面效应是分析飞机起降性能必须要考虑的因素。为了研究地面效应对射流增升翼型气动性能的影响,通过表面压力测量和PIV流场测量,详细对比研究了无射流条件下基本翼型、定常射流控制翼型及脉冲射流控制翼型在地面效应影响下的气动性能和流场特性。研究表明:受地面效应影响,基本翼型和射流增升翼型升力线斜率降低,升力减小,失速提前;有无地面效应时,脉冲射流的增升效果都大于定常射流;相同的射流动量系数下,距地越近,分离控制效果越差,升力也越小。     

协同射流在垂直尾翼流动控制中的应用研究

飞机垂直尾翼的气动特性直接关系到垂直尾翼尺寸和质量,通过流动控制方法提高垂直尾翼的升力可以进一步减小垂直尾翼尺寸,对减小结构质量具有实际意义。采用计算流体力学方法,对垂直尾翼的协同射流主动流动控制进行数值模拟;研究射流动量系数对连续协同射流的影响规律,以及射流动量系数、堵塞比、喷口数量等参数对离散协同射流的影响规律。结果表明:对于连续型协同射流,随着射流动量系数的增大,增升减阻和抑制分离的效果越显著;对于离散型协同射流,随着堵塞比的增加,增升效果逐渐下降,但功耗也同时下降;随着喷口数量的增多,增升效果先增大后减小,综合气动效率有所提升。     

二维射流的稳定性分析与流动控制

本文在绝对／对流不稳定性的理论框架下,对二维射流的稳定性进行了数值分析。研究表明射流流场各局部剖面是对流不稳定的,不会产生整体失稳,射流频率由流场中最大增长的不稳定频率确定。将一ＮＡＣＡ０１２翼型放置于射流势流核心区中,改变翼型的偏转角度θ,可使射流剪切层频率与翼型尾流频率发生共振,整个流场产生自激振荡,加强了射流与外界流场和混合,并使射流发生矢量偏转。     

等离子体合成射流激励器及其流动控制技术研究进展

等离子体合成射流(PSJ)激励器是通过半封闭容腔内电弧放电的温升及压升作用产生高温高速零质量射流的装置,具有射流速度高、边界层穿透能力强、响应速度快、激励频带宽、无活动部件等优势,是一种应用前景广泛的新型主动流动控制激励器。对等离子体合成射流激励器近些年来的研究进展进行了综述,重点综述了激励器在增大控制能力、提高能量效率、拓展环境适应性等方面所进行的优化设计,介绍了激励器研究中所发展的创新手段,并对激励器的能量效率特性和参数影响规律进行了归纳总结。重点综述了等离子体合成射流激励器在横向主流干扰、分离流控制、激波控制、激波/边界层干扰控制等应用领域的研究进展,深入探讨了等离子体合成射流与横向主流、分离泡、激波等典型流场结构的耦合作用机理,分析了等离子体合成射流主动流动控制存在的动量注入效应、冲击波效应、局部加热效应等复杂作用机制,并对未来的研究方向进行了探讨。     

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。     

应用协同射流控制的临近空间螺旋桨高增效方法

基于雷诺平均Navier-Stokes方程与多块搭接网格技术,数值模拟了协同射流(CFJ)翼型及桨叶的黏性绕流,分析了CFJ技术的增升减阻效果及工作机理。研究了CFJ的功率及效能比的分析方法,量化分析了CFJ的能量利用率。开展了喷口大小、喷口动量系数等参数对CFJ翼型性能的影响规律研究,并在此基础上开展了应用CFJ的临近空间螺旋桨高增效方法研究。结果表明:数值模拟结果与实验值吻合良好,在不同状态下,CFJ控制技术均能显著改善翼型气动性能。其中,最大升力系数提高了60%~130%;阻力系数降低了100%~440%,部分小迎角工况甚至出现负阻力系数,升阻比显著提高;翼型失速特性明显改善,失速迎角提高了近10°;能量利用率高,效能比可达440%。最终,在最优参数条件设置下,采用基于CFJ控制技术的临近空间螺旋桨可提高效率5%以上。     

后缘锯齿襟翼对翼型气动特性的影响研究

针对在翼型后缘增加锯齿襟翼与格尼襟翼的差异性,以及二者对翼型的空气动力特性有何改善等问题,在某民用运输机机翼翼型下表面后缘处增加锯齿襟翼,对其进行了空气动力特性试验和计算。结果表明,增加一定高度的后缘锯齿襟翼,能够减弱和改变翼型下表面后缘处气流的流动,从而减少和改变翼型下表面尾涡的涡量和涡量变化率,达到增加翼型升力、减小翼型阻力的目的。     

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。     

飞翼布局飞行器航向射流控制方案优化

由于飞翼布局飞行器取消了垂尾,其航向控制困难。为辅助和优化航向控制,基于射流控制技术设计了多种激励方案。设计并制作了航向射流控制激励器,通过风洞测力实验和二维数值模拟,对各方案的控制效果和作用机理进行分析,并选取出最优控制方案。研究结果表明:相同射流动量系数下,产生阻力比施加推力更容易获得偏航力矩。当激励开启后,射流包含与来流相逆的分量越多,与来流作用越明显,形成的分离区越大,控制效果越好。其中前对称吹气为最优控制方案,可以产生约70°阻力舵偏转效果,且力矩耦合程度较小。      

基于联合射流的翼型动态失速流动控制研究

动态失速控制对于提高翼型气动特性具有重要意义。采用联合射流方法对翼型俯仰动态失速控制进行数值模拟,完成两方面的研究:一是射流关闭时射流通道对动态失速特性的影响,二是射流开启时不同射流动量系数对动态失速控制的影响和分析。结果表明:射流关闭时,射流通道的存在对翼型上仰过程中附着流阶段的气动特性产生不利影响,使得升力系数明显下降,但是对翼型下俯过程中失速分离流阶段的气动特性影响不明显;射流开启后,动态失速特性得到极大改善,迟滞环面积显著减小,升力增加,阻力减小,且阻力和力矩的峰值显著减小,原基准翼型力矩曲线的负阻尼区域消失。     

伴流速度对平行喷口射流影响的数值研究

采用大涡模拟方法计算研究平行喷口出口马赫数为0.9,伴流速度比分别为0.1、0.3和0.5时的喷射流场特性。计算时采用高精度的数值模拟方法,并结合Smagorinsky亚网格尺度模型。考察了流场统计平均特性、脉动特性以及射流流场中涡结构的发展演变过程,结果表明:伴流速度的增大使得势流核长度变长,减缓了空间剪切层的发展,转捩延迟。喷射流场速度分布具有自相似性,而湍流强度的分布则不具有相似性。通过分析剪切层中轴向速度脉动、径向速度脉动、压力脉动在空间任意两点上的时空相关性,发现随着伴流速度的增大,脉动量在空间上的相关性减弱,而脉动量向下游的传递速率增加。该研究结果为进一步揭示伴流速度对喷流声场的影响提供基础。     

流动参数对合成射流控制叶栅流动分离的影响

采用大涡模拟方法、结构化网格建立了低压高负荷透平Pak B叶栅的非稳态数值分析模型,研究了不同流动参数对合成射流控制叶栅流动分离的影响.控制前随着雷诺数的减小和气流攻角的增大,叶栅流动分离区域变大,在气流攻角为5°下发生分离未在尾缘前再附的情况.合成射流控制后,不同流动参数下的流动分离都得到了有效的控制,并且在射流偏角为30°时,合成射流控制效果最好.合成射流使叶栅吸力面的流动分离位置推迟,再附位置前移,分离泡尺寸减小,叶栅吸力面的逆压梯度段缩短,吸力面边界层表面的剪切层在向下游迁移的过程中,没有发生充分的抬升,避免了大尺度涡旋的形成,并且很快地黏附于壁面,进而有效地控制了流动分离.      

等离子体合成射流对钝头激波的控制与减阻

为了验证等离子体合成射流对超声速流动的流动控制和减阻效果,在考虑热完全气体效应的情况下,工程拟合等离子体热力学属性和输运系数,利用能量源项模型对超声速平板和球头等典型流场结构进行了数值模拟,并取得了与实验较为一致的结果。研究结果表明：对于马赫数为2的超声速平板流动,等离子体合成射流能有效干扰边界层的发展,并诱导产生一系列大尺度结构;对于马赫数为3的球头流场,等离子体合成射流能显著改变激波脱体距离与球头的阻力特性;在放电后第1个周期内,合成射流能使球头平均阻力降低6.3%,而在射流峰值情况下使阻力降低32.0%,激波脱体距离增加2倍,实现了激波控制和流动减阻的预期效果。     

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。     

Aerodynamic performance enhancement of co-flow jet airfoil with simple high-lift device

The present study performed a numerical investigation to explore the performance enhancement of a co-flow jet (CFJ) airfoil with simple high-lift device configuration, with a specific goal to examine the feasibility and capability of the proposed configuration for low-speed take-off and landing. Computations have been accomplished by an in-house-programmed Reynolds-averaged Navier-Stokes solver enclosed by k-ω shear stress transport turbulence model. Three crucial geometric parameters, viz., injection slot location, suction slot location and its angle were selected for the sake of revealing their effects on aerodynamic lift, drag, power consumption and equivalent lift-to-drag ratio. Results show that using simple high-lift devices on CFJ airfoil can significantly augment the aerodynamic associated lift and efficiency which evidences the feasibility of CFJ for short take-off and landing with small angle of attack. The injection and suction slot locations are more influential with respect to the aerodynamic performance of CFJ airfoil compared with the suction slot angle. The injection location is preferable to be located in the downstream of the pressure suction peak on leading edge to reduce the power expenditure of the pumping system for a relative higher equivalent lift-to-drag ratio. Another concluded criterion is that the suction slot should be oriented on the trailing edge flap for achieving more aerodynamic gain, meanwhile, carefully selecting this location is crucial in determining the aerodynamic enhancement of CFJ airfoil with deflected flaps.