航空微机械——微机械用于边界层控制技术的研究

这篇报告介绍了Brite-EuRam航空微机械课题最近的发展。研究目的是应用微机电系统(MEMS)技术抑制飞机机翼上气流分离的可靠性。这个研究课题是由英国航空航天领导的并涉及到Dassauh航空、CNRS和Warwick大学、曼彻斯林、柏林(TUB)、曼特(UPM)Atheus(NTUA)、Laussanne(EPFL)和Tel-Aviv。这个“基础研究”项目是由CEC工业和材料技术研究所CNRS和合作工业联合基金支持的，经费支出大约26人年，1．5百万欧元三年时间。这个课题的目的在于评估利用MEMS技术改善紊流附面层进而推迟分离的可能性。课题进行了两种流场控制的概念研究，控制壁面附近气流方向上湍流结构(马蹄形涡和条纹)，控制分离点下游附近的大尺寸横向涡的结构，运用大量的实验，数值模拟和控制系统模型等手段，验证了检测和作功的不同概念。MEMS系统的硬件是以体激励器和传感器的形式发展的。课题研究以在工业相关领域进行实验验证为目的。     

合成射流激励器实现共轴射流掺混控制

对多排列合成射流激励器控制共轴射流掺混流场进行了详细的二维非定常数值模拟。结果表明,激励器的采用可以增强共轴射流的掺混效果;相邻合成射流产生涡对在孔口处经过相互耦合,形成了更强的旋涡对,并以一种新生合成射流作用周围流场;两排激励器较单排激励器相比,前者控制掺混能力更强,这主要是由于相邻合成射流比单个合成射流有着更显著作用力的缘故。     

直缝式等离子体合成射流激励器特性的实验研究

为了研究一种新型的直缝式等离子体合成射流激励器,采用高速纹影技术和电参数测量的方法,对激励器的瞬态流场特性和放电特性进行了研究。实验结果表明:在相同出口面积的情况下,直缝式等离子体合成射流激励器的初始射流速度是直孔式激励器的1.4倍。直缝式激励器速度衰减更快,喷气时间更短,和外部气流的动量交换更加迅速。实验中首次对直缝激励器的三维流场进行描述及分析,发现其前驱激波及射流形态具有更好的平面度,存在较大的均匀区。直缝式等离子体合成射流激励器在提高工作频率、扩大流动控制区间等方面具有一定优势。     

新型压电激励器作用力模拟技术研究

研究轻型结构、直升机旋翼结构和复合材料结构等的颤振飞行试验激励问题具有重要意义。提出以弯矩模拟压电粗纤维复合材料(MFC)激励器的作用力,从而解决MFC仿真建模问题。首先借助机翼有限元模型,建立带有压电激励器的机翼结构动力学仿真模型;然后以压电激励器地面激励试验结果为基础,通过修正仿真模型中压电作用弯矩的大小,实现仿真试验结果与地面试验结果的拟合,最终得出非线性压电激励器作用力;最后通过另一组地面试验数据验证了该作用力的大小,并将该作用力模拟技术应用于不同试验中。本文的研究结果可为后续以该激励器作为激励作动器或控制作动器的试验提供有益参考。     

不同类型多级等离子体激励器诱导气流的力学特性研究

等离子体激励器通过产生的等离子加速气流,可以实现对流动的控制。单级等离子体激励器由于受到等离子体放电的物理限制,其控制作用较小;为了提高等离子体流动控制的效果,关于多级等离子体激励器的研究得到发展。采用图像采集和粒子示踪测速系统(PIV),对传统多级等离子体激励器和多级双极性等离子体激励器的放电现象以及气流加速进行研究,并通过流场速度分布计算等离子体激励器对空气产生的推力和吸力。结果表明:随着电压的升高,传统多级等离子体激励器产生的推力和吸力会逐渐减弱;而多级双极性等离子体激励器产生的推力和吸力均呈逐渐增强的趋势。     

多压电膜式零质量射流激励器的设计与性能研究

设计了一种多压电膜式零质量射流激励器,并利用热线风速仪,得到了对应于射流中心线上固定位置处速度最大时的最佳频率.在该频率下,测量了零质量射流在不同孔径时沿中心线的速度分布;测量、分析和比较了不同激励膜数目对射流出口速度分布的影响.表明:在其他条件完全相同的情况下,一片振动膜时的激励器出口中心线上的平均速度和峰值速度,都较5片膜的情况小一半左右,而3片和5片压电膜时的激励器性能差别却不大.也就是说,虽然压电膜的数目增加能使激励器出口射流的能量增加,但这两者之间并非呈线性关系.此外还用PIV测量方法,直观地显示了射流出口的涡结构.      

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。     

斜出口合成射流激励器S进气道分离流动控制

设计加工了单膜双腔式斜出口合成射流激励器,应用PSI DTC Initium压力扫描系统对斜出口合成射流激励器在S进气道主动流动控制中的应用进行了研究。结果表明：斜出口合成射流激励器能够抑制S进气道分离流动,提高出口总压恢复系数σ和降低畸变指数DC90,只需通过改变激励器的工作电压和频率,就可实现对S进气道内部流场的控制。在共振频率下,当来流速度V=80m/s,采用斜出口合成射流控制可使出口截面平均总压恢复系数增加0.37%,此时所耗合成射流能量仅为主流的0.24%。     

相邻激励器合成射流流场数值模拟及机理研究

建立了将合成射流激励器腔体、出口喉道、外部流场作为单连域计算处理的吹／吸型边界模型。在此基础上,对不同相位差、不同振幅、不同频率的相邻激励器相互作用形成的合成射流流场进行了数值分析。计算结果表明：相邻激励器工作时的相位差、振幅不同、驱动频率不同对其形成的合成射流流场有很大影响,合成射流不再对称分布,流动将发生偏转。其机理是由于两激励器吸入和排出流体流动不同(不同相、不同幅值、不同频率),使得两列旋涡对不对称,因此在两列旋涡对之间存在涡量强度不同和压强梯度,从而引起旋涡对向低压侧和强涡量区偏转。     

大迎角分离流场在等离子体控制下的特性研究

设计了一种新型的大迎角主动流动控制方法。采用圆锥-圆柱组合体模拟飞行器前体,在靠近圆锥尖端处镶嵌了一对马蹄形单电极介质阻挡放电（single_Dielectric Barrier Discharge SDBD）等离子体激励器,通过风洞实验研究了等离子体激励器在不同状态下对大迎角模型前体的非对称气动载荷的控制作用。实验结果表明,通过控制等离子体激励器的开闭可以使得圆锥-圆柱组合体在大迎角下出现的侧力改变方向。还对通过调节单侧等离子体激励器的激励电压实现圆锥前体侧力系数在正负极值间连续变化的可能性进行了初步的实验探索。