应用陷窝技术控制S进气道内流分离的研究

为了减小进气道内流动分离和出口气流畸变,在对S进气道内部流场进行数值研究基础上,应用 "Dimple"陷窝控制技术对S进气道内部分离流动进行了数值模拟和实验研究.结果表明,采用合适构型的"Dimple"陷窝被动控制方案可以明显减小进气道内部流动分离,改善出口压力分布,提高总压损失系数,降低S形进气道出口畸变指数,改善流场品质.     

纳秒脉冲气动激励无人机流动控制风洞试验

等离子体流动控制作为一种新型的主动流动控制技术,可显著提升飞行器的气动性能。采用纳秒脉冲气动激励进行了某型无人机流动分离控制实验。实验结果表明:纳秒放电和毫秒放电的激励电压几乎相等,但是纳秒放电产生的电流(30A)比毫秒放电电流(0.1A)大得多;纳秒脉冲气动激励在流场中诱导产生近似向上的冲击波,最大诱导速度不超过0.5m/s;纳秒放电的快速温升效应在静止空气中诱导产生冲击波,冲击波的持续时间约为80μs,传播速度约为380m/s;当激励电压大于一定阈值时,纳秒脉冲气动激励使得该型无人机上表面的流动分离得到抑制,临界失速迎角从20°提升至27°,最大升力系数增大11.24%。探究放电频率对流动控制效果的影响规律,结果表明:最佳激励频率是使得施特劳哈尔数为1的频率值;在附面层流动控制方面,纳秒脉冲气动激励较毫秒脉冲气动激励更加有效;纳秒脉冲等离子体流动控制的主要机制是冲击效应,在高速流动控制中,冲击效应比动力效应更加有效。     

流体振荡器在进气道流动控制中的应用研究

采用数值方法,对流体振荡器在S形进气道流动分离中的控制效果进行了仿真研究。应用CFD软件模拟计算了流体振荡器对进气道分离控制的作用,详细讨论了不同射流频率和射流角度对控制效果的影响。通过对流场的分析得出:射流频率和射流角度对控制效果有显著影响。射流频率为554 Hz,射流角度为45°时,控制效果最佳,总压恢复系数增加了0.403%,总压畸变指数减少了6.96%,分离区长度减少了8.07%。     

等离子体流动分离控制的数值模拟

采用Shyy等提出的等离子体激励器对流动施加体积力的简化模型,测试了激励器对圆柱绕流分离的控制效果。研究了激励器对于大迎角下NACA 0015翼型流动分离的控制情况。数值结果表明:前缘是施加激励作用的最佳位置;当激励器处于最佳激励位置时,对NACA 0015翼型施加等离子体激励能有效的抑制流动的分离。在所研究的范围内,施加的激励强度越大,控制效果越好。结果表明:该方法对于流动分离的控制效果显著,达到了增升减阻的目的。     

非定常等离子体激励对大攻角流动分离控制的数值模拟研究

应用交流电(alternating current, AC)介质阻挡放电(dielectric barrier discharge, DBD)等离子体流动控制由于其结构简单、响应频率快、可实现实时定量控制等优点,正在成为等离子体流动控制技术的重点研究方向。结合基于分离涡模拟(detached eddy simulation, DES)和等离子体唯象体积力模型的方法研究非定常等离子体激励对NACA0015翼型在攻角为20°情况下流动分离控制。结果表明：非定常等离子体激励在高雷诺数、大攻角下对翼型分离具有明显的控制效果,可以达到增升减阻目的,且流动控制效果比定常激励效率更高;非定常等离子体激励流动控制与定常等离子体激励流动控制机理不同,非定常等离子体激励通过促进分离区内速度脉动,对流场产生非定常的干扰,使得分离剪切层提前失稳,增强流场涡结构的掺混,从而抑制流动分离。     

典型布局端壁等离子体激励抑制高负荷扩压叶栅角区分离实验

为提高端壁等离子体气动激励对高负荷压气机扩压叶栅角区流动分离的控制能力,需要进一步优化激励布局,实现更高效的流动控制。针对多种端壁等离子体激励布局形式,分别开展了毫秒脉冲等离子体气动激励抑制叶栅角区流动分离的实验研究。结果表明:端壁横向流动对角区流动分离的影响大于流向附面层的流动分离。端壁激励布局对流动控制效果至关重要。优化后的激励布局沿三维角区端壁分离线切向,流动控制效果最好,50%叶高处总压损失减小11.8%;但随着来流攻角的变化,导致激励器布置不再与端壁分离线相切,流动控制效果减弱,因此要根据控制攻角的范围需求,结合具体的流场结构,设计合适的激励布局;适当的增加激励组数能有效促进射流与近壁面气流掺混,提高流动控制效果。     

磁流体流动控制在航空工程中的应用与发展

总结了国内外磁流体(MHD)流动控制的研究现状,重点介绍了磁流体流动控制的3个典型实验:调节超音速进气道激波系结构,抑制流体边界层分离,减弱诱导激波强度;对磁流体流动控制机理进行了初步分析,说明放电等离子体能在激励区产生高温等离子体层,由于局部气体高温高压诱导出激波,形成虚拟尖劈,从而改变原有流场结构,施加磁场的主要用途是对放电电弧施加宏观的洛仑兹体积力,控制电弧运动的方向.最后,总结了磁流体流动控制的优势,并对国内MHD流动控制在航空工程上的应用与发展进行了展望.     

等离子体气动激励控制圆锥激波实验

以减弱超声速飞机头部和进气道调节锥的激波强度为背景,开展了等离子体气动激励控制圆锥激波实验,通过纹影显示以及壁面压力测量来研究圆锥激波形态和激波强度变化的规律。结果表明:当激励电压幅值分别为600V,800V,1 000V时,等离子体气动激励使圆锥激波变为2道激波,激波角度分别增大7.3°、13.2°、18.9°,锥体头部壁面总压分别增大6.52%、8.17%、9.52%,表征总压损失减小,验证了等离子体气动激励可以有效减弱超声速飞机头部和进气道调节锥圆锥激波强度。     

等离子体气动激励改善低速叶栅性能数值仿真

针对低速条件下等离子体气动激励抑制压气机叶栅吸力面流动分离进行研究.将表面介质阻挡放电等离子体气动激励对流场的作用等效为体积力和热的作用,并考虑等离子体温升对流体热物理性质的影响,建立了等离子体气动激励的数学模型.通过求解电势和电荷方程得到等离子体气动激励诱导的体积力和热功率密度分布函数,通过实验数据拟合得到物性参数函数,分别作为方程源项和系数加入到Navier-Stokes方程中求解.应用模型研究了等离子体激励在不同来流速度、攻角和激励强度下对压气机叶栅性能的影响.数值仿真结果表明:在马赫数为0.05、攻角为2°的情况下,施加等离子体激励后,分离点由65.09％弦长处后移到79.4％弦长,气流转折角增加0.8°,最大总压损失系数减小了7.4％,尾迹宽度减小了12％.来流速度增大激励效果会减弱,来流攻角的改变对激励效果有影响,激励强度增大对流动分离的抑制效果有明显改善.     

基于方格网状等离子体激励器的翼型湍流减阻实验

等离子体流动控制技术具有结构简单、响应迅速等特点，已成为流动控制领域的研究热点。为减小飞机的湍流摩擦阻力， 提出了一种基于方格网状等离子体激励器的新型湍流减阻方法，研究了其放电特性与诱导流动特性，并在风洞中获得该激励器减小NACA0012翼型湍流摩擦阻力的参数规律。结果表明，静止条件下，方格网状激励诱导的射流速度与占空比成正比，而随脉冲频率的增大先增加后减小，诱导射流的最大瞬时速度为1.75 m/s。来流速度为15 m/s时，激励能使翼型湍流摩擦阻力减小3.5%。方格网状激励诱导产生的射流使近壁面流体整体抬升，破坏近壁面涡结构，进而抑制湍流生成，实现摩擦减阻。     

等离子体激励参数对圆柱绕流影响的风洞实验研究

为研究等离子体的激励参数对圆柱绕流的影响,在低速风洞中进行介质阻挡放电(DBD)等离子体激励控制圆柱绕流的实验。风速V_∞=8 m/s,基于圆柱直径的雷诺数Re=8.6×10~4。圆柱绕流的烟线流动显示、圆柱壁面和尾迹压力的测量和分析表明脉冲激励参数的变化对圆柱绕流的影响在尾流宽度、壁面静压分布、圆柱阻力、尾迹压力分布三方面均有所体现。激励频率在400 Hz左右时流动控制效果最佳。占空比在40%~80%范围内,流动控制效果较好。激励电压在9.2~13.2 kV区间内存在放电启动的临界电压值,在22~25.5 k V范围内激励效果最优。边界层分离点附近区域,激励对壁面静压和流速的影响较为显著。     

不同前缘形状非细长三角翼等离子体流动控制的参数影响实验

为改善非细长三角翼的大迎角失速特性，探索前缘形状对流动控制效果的影响规律，基于交流介质阻挡放电(AC-DBD)等离子体激励，开展了非细长三角翼流动控制风洞实验研究。针对3个不同前缘曲率半径的三角翼模型，研究了激励参数对流动控制效果的影响规律。结果表明：小迎角状态下，尖前缘三角翼的升力系数略高于其他两种钝前缘三角翼；圆前缘三角翼的最大升力系数最高；指向上翼面的前缘激励在失速迎角之前对升力系数的控制效果最好，指向下翼面的前缘激励则在失速迎角之后效果更佳；圆前缘三角翼的控制效果最好，相同激励电压下(12 kV),激励控制对尖、圆和椭圆前缘三角翼在过失速阶段升力分别可提高3.6%、5.9%和4.2%。最优的无量纲脉冲激励频率为f⁺=1to2,最优占空比为5%,电压幅值越高，控制效果越好。分析认为AC-DBD激励控制非细长三角翼的主要机理是其对剪切层的非定常扰动，非体积力加速效应；机翼前缘处的流体动能分布影响诱导流向涡的形成，使不同前缘形状非细长三角翼的流动控制效果不同。     

等离子体流动控制的前掠翼静气弹发散主动抑制研究

针对前掠翼静气动弹性发散问题,基于等离子体流动控制与流固双向静力耦合技术,通过求解三维定常可压N-S方程与结构静力平衡方程,在亚声速条件下施加等离子体激励和不施加激励时对其进行对比仿真研究。前掠翼选用NACA0015翼型,等离子体流动控制采用唯象学模型,施加在机翼上表面前缘。研究结果表明：在前掠翼外侧上表面前缘施加等离子体激励后,激励区附近局部来流经激励受到电场力做功,总能量增加,动能与压力势能分别有不同程度的增大,外在表现为上表面局部流速加快,压力增大,升力有一定损失,下表面压力基本不变,在机翼前缘外侧靠近翼尖处产生低头力矩,可控制前掠翼弹性变形,有效抑制其气弹发散,且随着激励强度的增加,抑制作用逐渐增强。研究结果可为变前掠翼飞行器的气动弹性设计和机翼的流动控制等提供参考。     

等离子体流动控制试验与仿真对比研究

采用数值模拟与风洞试验相结合的方法,研究了当来流风速为7 m/s、湍流度小于10%时,在4种不同方向的等离子体射流激励下,低矮房屋平屋面上流动分离的规律.研究结果表明:施加顺风向等离子体激励,能减小屋面的平均风压系数和极值风压系数;施加逆风向等离子体激励,能增大屋面前檐的平均风压系数和极值风压系数,同时减小屋面中部及后檐的平均风压系数和极值风压系数;施加引起由中间射向两边的等离子体激励,能增大屋面前檐的平均风压系数和极值风压系数,能减小屋面后檐的平均风压系数和极值风压系数;施加引起由两边射向中间的等离子体激励,能减小屋面前檐以及屋面后檐的平均风压系数,同时能增大屋面中间的平均风压系数和极值风压系数.     

Viper Jet无人机等离子体流动控制飞行验证

以往的地面风洞实验研究表明等离子体流动控制具有极大的实用价值。为探索等离子体流动控制应用的关键技术,开展了低速无人机等离子体流动控制飞行验证研究。首先,设计了无人机试飞实验系统和试飞方案,据此进行激励特性测试和地面风洞实验,测试了毫秒脉冲等离子体激励的放电特性,在风洞中验证了毫秒脉冲等离子体流动控制对Viper Jet无人机失速分离的控制效果。然后,进行了Viper Jet无人机等离子体流动控制飞行验证,结果表明AC-DBD激励能有效减小飞机起飞与降落滑跑距离。     

电弧放电减弱激波强度的仿真研究

为了研究电弧等离子体数学建模,首先分析了等离子体与超声速流场相互作用的机理,然后开展了不同放电组数、放电位置与电弧温度对激波减阻效果影响的仿真研究。结果表明:随着激励位置的前移,主流激波强度减小;随着激励组数的增加,主流激波前移,主流激波强度减小;热量源项温度存在一个阈值,能够使流场出现热节流现象。因此当温度继续增大后,激波变化不明显。最后进行了实验验证。研究结果表明施加等离子体激励减弱了尖劈前方斜激波的强度。同时,进一步证明了等离子体与超声速流场耦合的热机理。     

基于等离子体的GTS模型气动减阻研究

为探究等离子体对类厢式货车的气动减阻效果,以GTS模型为研究对象,采用数值仿真的方法,分别研究了当来流风速为20 m/s时,3个位置处等离子体布置角度、激励电压对GTS模型的气动减阻效果并分析其减阻机理,然后进行组合工况的分析.研究结果表明,等离子体是通过诱导近壁面气体定向流动使流动分离点后移、推迟流动的分离,从而减小GTS模型前后压差阻力、降低整车气动阻力系数,等离子体布置的位置在流动分离点后方并且靠近流动分离点.单个位置激励时,等离子体布置在GTS尾部两侧时气动减阻效果最好,最大减阻率为5.09%;组合工况时最大减阻率可达6.01%.当来流风速一定时,等离子体存在最佳布置角度与激励电压.     

民用飞机进气道气动设计的评估方法

进气道的设计好坏,通常按照进气道性能的特性参数的比较、阻力的大小以及重量、成本的比较结果来衡量。在进行气动设计考核时,需要考核在进气道设计的各个工况下,流场畸变是否足够小、气流是否发生了分离、喉道马赫数是否超过了限制马赫数、总压恢复系数是否足够高等参数.     

等离子体协同射流翼型控制参数设计与机理探索

通过风洞实验和数值模拟方法研究了相关几何参数对等离子体协同射流翼型绕流特性与气动力特性的影响，并对流动控制机制进行了阐述。设计了不同高度的腔道，研究了等离子体激励下腔道出口的流量与射流速度的变化规律，最终选取4 mm腔道高度为最优参数， 设计了以NACA0025为基准翼型的等离子体协同射流翼型。通过数值模拟研究了等离子体协同射流翼型的升/阻力特性，并对比了前缘吹气与协同射流控制的不同控制效果。研究结果表明，Re=68 000、峰-峰值电压13 kV、载波频率8 kHz条件下，相对基准翼型，等离子体协同射流翼型将失速迎角从8°提高到了14°，最大升力系数增加了181%。等离子体协同射流翼型的阻力随迎角增大持续减小，在10°迎角之前其阻力大于基准翼型，随后小于基准翼型，升阻比呈现出与阻力相同的变化特性，10°迎角之后全面优于基准翼型。原因是后缘腔道处在较小迎角下产生了正阻力，而随着迎角的增大，其当地阻力变为负值。对比前缘吹气和协同射流控制，翼型失速迎角分别为12°和16°，这是因为协同射流翼型通过前缘吹气效应可以在当地集中注入动量，其后缘吸气可以减小低能量的分离区域，形成较大的环量增量。     

迎风条件下速度梯度对地面涡气动特性影响数值模拟

以缩比的近地面短舱进气道为研究对象,通过数值计算模拟的方法得出在迎风来流条件下速度梯度对地面涡流场的结构及气动特性曲线的影响。研究表明,速度梯度是影响地面涡的主要因素。在不同的速度梯度下地面涡结构明显不同。在Y方向速度梯度下近地截面形成的地面涡是一对涡,旋转方向相反。速度梯度越大,地面涡强度,总压畸变指数明显变大。且峰值会出现滞后现象。在Z方向速度梯度下,近地截面形成的地面涡是一个单涡结构,在进气道上方也会形成一个涡体。地面涡强度、总压畸变指数会先增大后减小,峰值不会出现滞后现象。