仿生学覆羽控制翼型流动分离实验

"高效率、低噪声"的飞行特点为猫头鹰披上了一层神秘的面纱.本文根据其翅膀覆羽的仿生学构造,设计了新型的柔性锯齿形旋涡发生器,铰接在NACA0018二维翼型各弦长位置处.通过风洞实验,研究了不同面密度柔性材料的流动分离控制效果.实验中,首先利用高时间分辨率的热线风速仪单点扫掠测量尾流区的流场信息,通过小波变换同时在时域、频域对各个尺度涡包的破碎和掺混过程展开分析,确定湍动能较高的特征测点位置后,利用两根热线探针双通道同时测量,得到不同位置的同步流场数据,通过互相关分析,在时域和频域上得到不同空间位置之间扰动的相关性,并结合CCD高速相机的拍摄结果,研究柔性材料的自适应形变规律与扰流涡之间的关系.实验结果表明:中等面密度的柔性材料控制效果较优,安装在尾缘时可以有效吸收附近34％的湍动能用于自适应地振动和变形;剪切层的上边界向下移动0.05倍弦长,尾缘和前缘剪切层的低频段功率谱密度分别下降了70％和50％,前缘剪切层的大尺度结构被破碎为小尺度结构,具有潜在的降噪效果,两剪切层的相关性在频域上得到显著增强.当旋涡发生器的安装位置向前缘移动时,其在逆压梯度下产生的扰动将向低频段转移,大尺度的扰流涡可以诱导分离泡的上边界下移0.1倍弦长.     

扰动来流下声控机翼分离流动的研究

本文介绍在扰动来流下声控机翼流动的试验装置、低速大攻角时的声控效果以及附面层中流动参数的变化规律,并由此得出：随着来流湍流度的增加,因声激励而产生的附面层中大尺度有序结构涡（ＬＳＯＳＶ）的脉动速度幅值Ｖｌ、湍流度增量ｕ′ａ／Ｕ∞以及升力系数增益△ＣＬ均将迅速减小,而激励声压级有效阈值ＳＰＬｅｆｆ则随之逐渐增大。周期性脉动来流在沿机翼附面层流动中急剧衰减,并对机翼分离流动（包括有或无声控）基本上没有什么影响。     

等离子体气动激励抑制机翼失速分离的实验

进行了等离子体气动激励抑制机翼失速分离的风洞实验,研究了等离子体气动激励频率、电压、占空比和激励位置等对流动控制效果的影响.研究表明:在来流速度35m/s时,等离子体气动激励可以有效地抑制机翼大攻角下吸力面的流动分离,将机翼临界失速迎角由17°提高到19°;施加激励后,机翼最大升力系数提高了9.45%,阻力系数减小20.9%;激励频率在200Hz时,控制效果最好,对应的量纲一激励频率为1;迎角越大,流动分离越严重,需要更大的激励电压才能够有效抑制流动分离;最佳激励位置在流动分离起始点的前缘;在流动控制效果相当时,减小占空比可以降低能耗.      

湍流边界层厚度对三维空腔流动的影响

采用脱体涡模拟(DES)方法开展了不同湍流边界层厚度(TTBL)下的三维空腔非定常流动数值计算。空腔长、宽、深比例为5:1:1,来流马赫数为0.85,雷诺数为13.47×10⁶ m^-1,各工况湍流边界层厚度比值为1:2:4:8。研究结果表明,湍流边界层厚度对自由剪切层的发展、空腔底部静态压力分布、脉动压力及空腔流动类型均有重要影响,且随着边界层厚度的增大,下游剪切层覆盖的范围会增大,但是剪切层增长率降低;空腔前后静态压力压差减小、压力梯度下降;腔内局部测点的脉动压力声压级下降,各阶声压峰值频率向低频方向偏移;空腔流动类型往开式流动方向转换。     

多路等离子体合成射流改善翼型性能实验研究

等离子体合成射流(PSJ)响应快,频带宽,强度大,在飞行器增升减阻领域具有广阔应用前景。但常规等离子体合成射流只是单点激励,作用范围小,控制效果弱。为提高等离子体合成射流抑制机翼流动分离的能力,设计了一种新型多路放电电路驱动合成射流,使单个电源产生5~12路多点、高强度合成射流激励,并将其用于高升力翼型失速分离控制。研究了激励频率、电容能量、来流速度和激励位置对流动控制效果的影响以及阵列式激励的控制规律。实验结果表明:12路PSJs各路均能产生较强的冲击波和射流,能有效抑制翼型吸力面的流动分离,增加升力,推迟失速;当激励频率为150Hz使无量纲频率等于4.8时,流动控制效果最好;电容能量越大,来流速度越小,流动控制效果越好;翼型距前缘15%c处为最佳激励位置,在主翼后缘施加激励与前缘激励类似,能有效抑制主翼流动分离;在主翼前缘和后缘同时施加激励,增升效果变强,推迟失速的能力降低。流场存在延迟效应,延迟时间不小于585s。     

基于IDDES方法的翼型结冰失速分离流动数值模拟

应用基于k-ωSST湍流模型的IDDES(Improved Delayed Detached Eddy Simulation)方法,就失速点附近翼型前缘典型双角状积冰导致的复杂分离流动进行了数值模拟研究.通过与风洞试验结果进行对比,表明对于此类分离流动问题,IDDES方法能够在壁面附近取得良好的速度预测结果,有效解析分离区域内的中小尺度湍流结构,较为准确地描述大尺度时均分离泡的再附位置和形态特征,适用于翼型结冰后复杂流动的精细分析.同时计算结果显示当此带冰翼型位于失速点附近时,角状冰后方脱落剪切层内部的旋涡不稳定析出和输运过程促进了外部流动与回流区域流动间的掺混,将导致流动发生非定常再附现象.     

低雷诺数下机翼气动特性研究及控制

高空长航时无人飞行器(HALE UAV)由于飞行环境空气稀薄、雷诺数低导致其气动性能恶化,如何通过流动控制改善机翼低雷诺数气动性能受到越来越多的关注。在低速风洞中通过测力、测压和边界层测试等试验技术开展了NACA 633-421直机翼模型气动特性试验和流动控制研究。天平测力结果表明:随雷诺数降低(Re<1.4×10⁵)机翼气动特性迅速恶化;最大升力系数损失严重,失速迎角急剧降低;分析翼面压力分布结果显示,机翼表面产生层流分离泡(LSB),其长度变化、位置前移和最终发生破裂的发展过程是导致机翼低雷诺数气动性能恶化的主要原因。采用合成微射流(Micro-SJ)对翼面层流分离泡进行流动控制,失速迎角推迟了11°,机翼最大升力系数由0.59提升至1.10,最大升阻比增加了13.6%。合成微射流控制具有选频特性,驱动频率f=200~400 Hz的合成微射流控制效果最佳,更易促进分离剪切层提前转捩,形成湍流再附,使得层流分离泡长度缩短。     

平片激振对锐缘分离流场宏观作用的实验研究

本文对激振与未激振锐缘分离流场细节进行了比较。结果表明 ,作用于分离点的适当频率的激振对分离流场产生了 6种互相耦合的作用效应 ,它们是 :( 1)从整体上减弱或抑制分离流动 ;( 2 )改变分离区湍流结构 ,加剧湍流运动 ,加快混合和剪切层增长 ;( 3)增强局部区域的回流流动现象 ;( 4 )使分离剪切层再附 ,改变分离流态和分离涡分布 ;( 5)减弱下游流场湍流脉动 ;( 6)增强尾流下弯程度。本文工作为激振控制分离流动技术的工程应用提供了物理基础与指导。     

飞翼模型微秒脉冲等离子体控制低速风洞试验研究

为改善飞翼模型低速、大迎角气动特性,在试验段截面为4.5m×3.5m的低速生产型风洞中开展了大展弦比飞翼模型微秒脉冲等离子体流动控制的试验研究,所用的飞翼模型展长为2.4m,展弦比为5.79,试验研究采用了测力和PIV (Particle Image Velocimetry)两种试验方法。通过测力试验研究了等离子体激励位置和激励频率对飞翼模型失速特性的影响,通过PIV流动显示试验给出了等离子体对翼面流场结构的影响。试验研究表明:等离子体控制能显著改善大展弦比飞翼模型低速大迎角下的气动特性,激励位置和激励频率对流动控制效果具有较大影响;等离子体激励位置在机翼前缘驻点附近、激励频率为100Hz时控制效果最好;试验风速V=70m/s (Re=2.61×106),等离子体激励的峰峰值电压为10kV时飞翼模型的最大升力系数提高20.51%,失速迎角推迟6°。     

圆柱跨声速绕流中的激波/湍流相互作用大涡模拟研究

采用大涡模拟方法研究了圆柱跨声速绕流中的激波/湍流相互作用问题,来流马赫数M∞取为0.75,基于圆柱直径D的雷诺数为2×105。计算结果表明,圆柱分离点处出现一道斜激波,并且以与涡脱泻Strouhal数一致的特征频率向上游传播。激波运动导致流场中出现反对称的流动模态,剪切层中压力信号的功率谱曲线中存在0.4、-1和-5次方的斜率关系,剪切层中的剪切应力角约为0°,脉动速度以流向脉动速度为主,并且沿剪切层的大尺度结构组织性减小。     

翼型近尾迹流动的PIV研究—运动学特性

利用在线式PIV系统(ParticleImageVelocimetry),在低速风洞中对NACA0012翼型在雷诺数2.39×105,0°和4°攻角下的近尾迹流动进行了实验研究。实验结果表明,在较高的雷诺数下翼型近尾迹流动是一种以旋涡的运动学和动力学特性为主导的湍流剪切流。在测量范围内,翼型的尾缘处是近尾迹涡街的形成区;尾缘后0.5倍弦长的区域存在类似于卡门涡街的有序结构,是旋涡发展区域,旋涡具有较好的稳定性;距翼型尾缘0.5倍弦长至1倍弦长的区域,是翼型近尾迹流动由有序走向无序区域,旋涡开始破裂。翼型表面边界层对翼型近尾迹湍流剪切流的演化有重要影响。实验结果还给出了近尾迹流动的平均速度、湍流强度和剪切应变变化率,以及速度脉动量的二阶关联量u'u',u'v'和v'v' 的分布。      

结冰翼型前缘下垂变弯度容冰特性改善机制

传统容冰气动力优化设计方法难以完全兼顾常规飞行和结冰状态对翼型几何特征的矛盾需求。依据前缘下垂变弯度的思路创新性地提出了一种能有效协调和解耦翼型气动/容冰特性的解决方案。针对GLC305-944结冰翼型典型过失速状态开展了基于IDDES(Improved Delayed Detached Eddy Simulation)方法的前缘下垂前后容冰特性对比分析，表明前缘下垂后结冰翼型失速特性显著改善，前缘吸力以压力平台形式恢复，分离泡形态由大尺度全局回流退化到冰角后方的局部流动结构，湍流脉动影响范围约束于前缘近壁面有限区域内。由于前缘下垂后冰角与当地壁面组成类凹腔结构，剪切层涡系经短暂发展后能迅速在壁面附近触发掺混融合-动量输运效应，有效促进再附过程，导致时均再附点提前、混合层厚度降低、分离泡几何尺度减缩，这是容冰特性改善的主要机制。     

基于合成射流的二维后台阶分离流主动控制

作为一种新的流动控制激励器,合成射流技术在流动分离控制、降低压力脉动和抑制噪声等方面具有广阔的应用前景。实验利用合成射流主动控制技术对二维后台阶湍流分离再附流动控制进行了研究,应用表面测压、粒子图像测速(PIV)和热线等多种实验测试技术对后台阶表面压力分布、流场结构以及剪切层特性进行了测试。结果表明,在台阶前缘施加合成射流可有效减小回流区范围和降低再附长度,当合成射流的动量系数为0.301×10^-3时,可使再附点长度减小25%。合成射流控制使得沿台阶下游的湍动能和雷诺应力增强,提高了台阶下游流场的混合效率。热线动态结果表明频率是后台阶分离流动控制的关键参数,当频率为260 Hz、激励频率与剪切层涡脱落频率之比为1.32、激励频率等同于旋涡脱落频率时,合成射流控制效果最好,仅需消耗较小的能量即可实现流动控制的目的。     

等离子体激励抑制翼型失速分离的实验研究

进行了低速、低雷诺数条件下等离子体激励抑制NACA0015翼型失速分离的实验研究,研究了等离子体激励电压、激励电极数目和激励位置对流动分离抑制效果的影响.在翼型吸力面敷设不对称电极布局的等离子体激励器.在来流速度为4.27m/s,雷诺数为4.96×104的情况下,未施加等离子体激励时,从攻角为9°起翼型吸力面发生显著的前缘流动分离;施加等离子体激励后,流动分离在攻角小于26°的情况下均能很好地重附到翼型吸力面表面.实验表明,流动分离越严重,对等离子体激励的强度要求也越高,等离子体激励的电压和电极组数也必须相应增大;给定的流动分离状态下,等离子体激励的电压和电极组数存在一个阈值;等离子体激励的最佳位置在流动分离起始点的前缘;雷诺数增大后,流动分离更难抑制.     

不同涡脱落模式下垂直轴风力机叶片的气动响应

为研究尾流中不同涡脱落模式下垂直轴风力机(vertical-axis wind turbine,VAWT)叶片的气动响应，基于攻角变化相似性，进行了叶片正弦俯仰振动的比拟实验。研究发现：在弦长雷诺数O(10⁵)范围内，尾流存在3种涡型结构：前缘离散涡(leading-edge vortex,LEV)、蜿蜒尾流(undulating wake,UW)和反卡门涡街(reverse von Kármán vortex street,Rv KVS)；随着叶尖速比λ增大，VAWT叶片缩减频率k增大，攻角幅值α m减小；叶轮叶片几何尺度比R/c较小时，在低λ产生LEV涡型的可能性较小，在高λ产生Rv KVS涡型的可能性较大；R/c较大时，在低λ产生LEV涡型的可能性较大，在高λ产生Rv KVS涡型的可能性较小。LEV涡型导致轻动态失速，造成VAWT叶片发生高频俯仰振动，但对叶轮转矩和VAWT功率影响不大。Rv KVS涡型的出现，伴随叶片升力和转矩幅值增大以及平均推力的产生，会使VAWT叶片扭矩载荷增大，也会使叶轮转矩和输出功率提升。据此提出基于VAWT的新式风墙构型，在继承N...     

脉冲等离子体气动激励抑制翼型吸力面流动分离的实验

 为了提高等离子体气动激励控制附面层的能力,进行了脉冲等离子体气动激励抑制NACA 0015翼型失速分离的实验,研究了等离子体气动激励电压、位置、占空比和脉冲频率等对流动分离抑制效果的影响。在来流速度为72 m/s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,翼型的升力增大约35%,翼型的临界失速迎角由18°增大到21°。实验结果表明：分离越严重,来流速度越大,有效抑制翼型失速分离的阈值电压越大;等离子体气动激励的最佳位置在流动分离起始点的前缘;调节占空比,可以在控制效果相当的情况下,降低等离子体气动激励所消耗的功率;当脉冲频率使斯特劳哈尔数等于1时,控制效果最佳。     

自然层流机翼的翼套试验及数值方法

基于某公务机飞行试验平台设计改装的自然层流翼套构型,以飞行试验为核心,开展了前期的数值方法和风洞试验研究。风洞试验和飞行试验均采用红外热像技术进行转捩探测。同时,使用基于线性稳定理论的e^N方法对试验构型进行了数值模拟分析,探究攻角、压力分布形态对Tollmien-Schlichting(T-S)波失稳主导转捩的影响机制。研究结果表明,风洞试验构型在-2°～2°攻角范围内上翼面维持大范围的顺压力梯度,T-S波的增长得到了有效抑制,实现了50%c(弦长)以上的层流区,转捩发生在压力恢复区;在4°攻角工况下,头部出现明显的逆压力梯度,T-S波快速增长并发生失稳,转捩位置提前至20%c。飞行试验条件下的结果表明,压力分布形态对T-S波的影响机制与风洞试验一致;在高湍流度低雷诺数的风洞试验条件和低湍流度高雷诺数的飞行试验条件下,采用湍流度和Mack公式确定T-S波临界N因子,得到的转捩预测结果与试验结果均吻合较好,表明本文数值方法具有良好的预测精度和鲁棒性。     

RANS/LES在超声速突起物绕流中的应用研究

安装在超声速/高超声速飞行器表面的突起物如机翼、控制舵等通常会导致复杂的激波/边界层干扰,对突起物的局部气动特性甚至飞行器整体的气动特性产生较大的扰动.在采用计算流体力学(CFD)数值模拟此类问题时,传统的求解雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程方法由于不能准确预测湍流脉动流场并且精度有限,在应用上受到一定的限制.本文在研究B-L (Baldwin-Lomax)内层模型和Smagorinsky亚格子模型优缺点的基础上,提出了一种新型的RANS/LES(Large Eddy Simulation)混合模型,并进行了算例验证,证实了该方法的可行性.在此基础上,对火箭表面突起物的干扰流场进行了数值模拟研究,细致地刻画了突起物附近的激波/边界层干扰、剪切层失稳和底部分离涡形成的非定常过程,获得了突起物及火箭表面上的压力脉动历程并进行了频谱分析.研究发现,相对于突起物底部的非定常分离流动,突起物前缘的激波和边界层相互干扰的非定常过程是突起物周围压力脉动的主导因素,这种高频的压力脉动可能对火箭内设备的正常工作产生不利的影响.     

超声速膨胀角入射激波/湍流边界层干扰直接数值模拟

为了揭示膨胀效应对激波/湍流边界层干扰区内复杂流动现象的影响规律,采用直接数值模拟方法对来流马赫数2.9、30°激波角的入射激波与10°膨胀角湍流边界层相互作用问题进行了数值研究。系统地探讨了激波入射点分别位于膨胀角上游、膨胀角角点和膨胀角下游3种工况下膨胀角干扰区内若干基本流动现象,如分离泡、物面压力脉动及激波非定常运动、湍流边界层统计特性和相干结构动力学过程等。结果表明,激波入射点流向位置改变对分离区流向和法向尺度的影响显著,尤其是当激波入射点位于角点及其下游区域。研究发现,膨胀角干扰区内物面压力脉动强度急剧减小,分离区内压力波向下游传播速度将降低而在膨胀区内将升高,膨胀效应极大地抑制了分离激波的低频振荡运动。相较于入射激波与平板湍流边界层干扰,入射激波流向位置改变对膨胀角再附区速度剖面对数区及尾迹区影响显著,将导致其内层结构参数升高而外层降低,近壁区内将呈现远离一组元湍流状态的趋势。此外,流向速度脉动场本征正交分解分析指出,主模态空间结构集中在分离激波及剪切层根部附近而高阶模态以边界层内小尺度正负交替脉动结构为主。低阶重构流场结果表明,前者对应为分离泡低频膨胀/收缩过程而后者表征为分离泡高频脉动。     

八字形出口合成射流激励器机翼分离流控制

设计研制了一种适于机翼分离流动控制的八字形出口合成射流激励器,对其出口射流与主流的相互作用特性进行了研究,粒子图像测速仪（PIV）流场测试和边界层速度型测试结果揭示了其控制机制为促进边界层与主流的诱导掺混,提升边界层底层能量。利用该激励器阵列对NACA633-421三维直机翼模型开展了针对射流能量比Cμ和阵列位置两个参数的分离流控制研究,天平测力及翼型表面测压结果显示该激励器可有效抑制翼面流动分离、推迟失速迎角。在设计范围内,射流能量比Cμ值越大,控制效果越好,当Cμ＝0．00168时,机翼最大升力系数提升了5．92％,失速迎角推迟了2．5°（激励器阵列位于0．3c处）。激励器阵列的弦向布置位置是一个重要控制参数,阵列位于0．3c处时最大升力系数提升量大于位于0．55c时。