等离子体环量控制对翼型气动特性的作用机理和影响规律研究

Circulation control based on Coanda effect can increase aircraft's lift efficiently, achieve short take-off and landing performance. However, the mass flow and the power required for jet flow confine the engineering application of circulation control.Plasma actuation has advantages such as no need for air source,real-time active control and low input power. The concept of plasma circulation control proposed in this project is designed to take advantages of circulation control and plasma actuation, which is a novel and efficient flow control method.According to the characteristics of the plenty of parameters and complex mechanism of circulation control, this project concludes the mechanism of plasma circulation control on the boundary seperation, the mixing between jet flow and outer flow and vortex shedding characteristics through the simulation method including boundary condition from experiment data,plasma aerodynamic actuation model based on phenomenological, and Reynold Average Navier-Stokes equations. Then, the project finds out the change law of of lift and drag according to the optimization key parameters combination and circulation control system designed. At last, the project focuses on theanalysis of features of the coupled flow, the verification of the mechanism and the change law, and the assessment of the effects of the circulation control with the results of plasma actuation design and airfoil's experiment in wind tunnel.The siginificance of the project lies in providing the method of plasma circulation control aiming at boosting its potencial application. Further more, the findings of the projects offers the theoretical base for futher study.

基于Coanda效应的环量控制能够显著提高飞机升力，改善短距起降性能，但产生射流需要质量输入与能量消耗，成为影响环量控制工程应用的瓶颈问题；等离子体气动激励射流具有无需质量输入、便于实时主动控制和能量消耗小等优势；等离子体环量控制则有效利用了等离子体和环量控制各自的优势，是一种新型高效的流动控制方式。针对影响参数众多和作用机理复杂的特点，本项目采用由参数诊断结果确定的边界条件，基于唯象学的等离子体气动激励数学模型和雷诺平均N-S方程的数值模拟方法，揭示等离子体环量控制关键参数改善附面层分离、加强射流与外流的混合以及控制涡脱落的作用机理；优化设计关键参数组合和环量控制结构，获得升力和阻力的变化规律；利用等离子体激励器设计和翼型风洞实验研究流场耦合特性，验证作用机理和影响规律的数值仿真结果，评估环量控制的效费比。研究成果可为加快环量控制的工程应用探索控制方式并提供理论依据。

环量控制是一种提高航空器升力的主动流动控制技术，项目针对传统射流环量控制需要复杂气源和管道系统，造成飞机重量增加或发动机推力降低，阻碍其工程应用等问题，提出将等离子体激励射流应用于环量控制的基础研究。项目通过理论分析，数值计算和实验相结合的研究方法对等离子体环量控制对翼型气动特性的作用机理和影响规律进行研究。首先应用等离子体动力学和计算流体力学理论基础，建立了等离子体环量控制的数值计算方法。然后利用建立的数值仿真方法，仿真研究激励器相对位置、翼型后缘半径和双激励器布置形式对翼型气动特性和流场特性的影响规律，确定了最佳参数组合，揭示了以上参数对附面层分离，射流带动外流偏折和涡脱落等特性的作用机理，得到0°迎角时环量控制效费比可以达到119.58，高于传统射流环量控制的80，证明了等离子体环量控制的有效性和高效性。基于数值仿真结果，通过风洞实验，研究了定常和非定常等离子体激励两种射流产生方式，获得了激励电压，激励频率，占空比和脉冲频率等关键参数对翼型气动特性的影响规律，优化确定最佳激励电压8KV，激励频率12KHz，通过非定常激励可以在节约10%能量情况下，增升效果提高4.1%，调节脉冲频率使无量纲数斯特劳哈尔数取值在0.5-1.5和4-5范围内时，大部分迎角下的增升效果都获得10%左右的提升，实现了气动耦合效应。最后实验研究了三种激励器布置方式和环量控制结构，包括后缘上翼面、下翼面和同时布置于上、下翼面三种情况，对翼型气动特性的作用原理，确定了优化的激励器位置，并结合烟流实验分析了不同位置的作用机理。项目研究成果为设计新型高升力系统，提高飞行器的短距起降能力、隐身性能和减少噪音等方面提供了一定的理论基础。