大迎角鸭翼涡主动高效控制技术研究

大量研究表明，近耦合鸭式布局在中大迎角下，利用鸭翼和主翼涡系之间的有利干扰，可以明显延迟主翼涡的破裂和增大布局失速迎角，这对提高布局的机动性具有重要作用。但因鸭翼受主翼的上洗作用，在此迎角范围内鸭翼涡容易破裂，从而导致鸭翼控制效率明显降低。鉴于此，本项研究将鸭翼作为涡发生器，通过实验和数值模拟研究，利用高频脉冲射流激励器探索一种高效节能的主动涡控制技术，用以延迟和控制鸭翼涡的破裂，进而通过鸭翼涡与主翼涡的有利干扰，实现对近耦合鸭式布局主翼涡的间接控制，并且通过建立控制参数、布局参数和气动参数之间的定量关系，揭示高效主动控制鸭翼涡的规律。

近耦合鸭式布局在中大迎角下，鸭翼和主翼涡系之间的有利干扰可以明显延迟主翼涡的破裂和增大布局失速迎角。但因鸭翼受主翼的上洗作用，在此迎角范围内鸭翼涡容易破裂，从而导致鸭翼控制效率明显降低。鉴于此，本项研究将鸭翼作为涡发生器，通过实验和数值模拟研究，利用高频脉冲射流激励器探索一种高效节能的主动涡控制技术，用以延迟和控制鸭翼涡的破裂，进而通过鸭翼涡与主翼涡的有利干扰，实现对近耦合鸭式布局主翼涡的间接控制，并且通过建立控制参数、布局参数和气动参数之间的定量关系，揭示高效主动控制鸭翼涡的规律。首先完成了高速的活塞式合成射流激励器，在距离出口其60倍宽度的位置上射流速度仍能达到31m/s。鸭翼展向射流实验表采用不同脉冲频率f和脉冲宽度q的组合，在某一连续吹气动量系数C情况下进行实验，脉冲吹气可以获得较小连续吹气动量系数情况下的升力值。布局平均升力系数随脉冲宽度的增加而增大。当脉冲宽度小于0.8时，布局平均升力系数随脉冲频率的增加而增大；当脉冲宽度大于0.8时，布局平均升力系数基本不随脉冲频率变化。涡（流动）延迟时间与迎角和鸭翼后掠角有关；与脉冲频率、脉冲宽度和吹气动量系数无关。当机翼涡在机翼表面出现破裂时，破裂延迟的前缘涡不容易回到原来的破裂状态，涡（流动）延迟时间相对较长；当前缘涡刚开始生成或完全破裂时，翼面流动处于稳定状态，涡（流动）延迟时间相对较短。同时,为了进一步提高主动间接涡控技术的效率,利用水槽PIV实验和CFD研究了鸭式布局双涡干扰的机理.首先，由于鸭翼涡的下洗，主翼涡有效迎角减小，逆压梯度也得以减小，旋涡的破裂被延缓，在下洗影响区之后主翼涡的强度更大，升力也更大。进行吹气控制后的鸭翼涡强度大幅提高，与主翼涡的距离也较远，二者无法迅速合并，尤其是更强的鸭翼涡有着更强的下洗作用，这进一步提高了主翼涡的稳定性。脉冲吹气能够像连续吹气一样延缓旋涡的破裂，但是在f>1Hz之后，随着脉冲的频率增加旋涡的破裂位置变化不明显，相对而言旋涡破裂前的流向速度变化更为明显，较大的脉冲频率可以有效的提高旋涡的轴向速度，增强旋涡的稳定性。研究同样表明，鸭式布局的同向涡对会趋于融合。壁面的存在使得同向的旋涡更快地相互靠近，加快同向涡对开始融合的趋势，二次涡是一个重要的影响因素。但是关于旋涡融合与旋涡破裂的关系上需要进一步的研究，以最终实现通过控制旋涡的融合来影响旋涡的破裂。