脉冲协同射流翼型高升阻比效应及其湍流掺混机理研究

Active flow control is considered as a promising direction to improve airfoil aerodynamic performance beyond the conventional geometry manipulation. Recently, the Co-flow jet (CFJ) airfoil is shown to achieve extraordinary performance enhancement with drastic increase of lift coefficient, drag reduction, and stall angle of attack augment at very low energy expenditure. In particular, the recent numerical study indicates that the CFJ airfoil is able to significantly improve the aerodynamic efficiency and lift coefficient at cruise conditions when the flow is benign with low angle of attack. However, there is a lack of study to understand the fundamental physics of the CFJ airfoil working mechanism, in particular for the pulsed co-flow jet. We propose to investigate the following research subjects : 1) the mixing process and mixing layer structures with jet dissimilarity; 2) adverse pressure gradient effects; 3) CFJ airfoil performance enhancement mechanism at cruise conditions for attached flow at low angles of attack. The research approach is based on detailed comparisons between wind tunnel experiments at different angles of attack with companion Large Eddy Simulations (LES). The proposed research will be the first comprehensive study of its kind, which will lay the foundation for future high-performance aircraft with extraordinary aerodynamic performance.

相对于传统的几何外形优化技术，流动控制最有希望在未来提升飞行器气动性能。本团队创新提出了一种新型协同射流技术，可以非常小的能耗而极大增加升力、减小阻力、推迟失速迎角，特别是目前唯一能在巡航状态低攻角附着流状态下大幅提升计及功耗损失的升阻比与升力特性的新型流动控制技术。但是，目前针对协同射流的湍流掺混机理及参数影响机制尚不清楚，尤其是对脉冲协同射流研究处于空白。为此，本项目拟结合风洞精细试验和大涡模拟手段，进行3个基本内容研究：（1）协同射流湍流剪切层结构及其与主流的掺混发展过程；（2）不同流动参数下逆压梯度对协同射流剪切层的影响机制；（3）协同射流翼型在低攻角附着流状态下性能提升的流动机理及设计准则。最终通过试验与计算结果的细致对比，揭示高升阻比效应的湍流掺混机理与影响机制，研究成果对未来高性能/低能耗飞行器设计有重要的指导意义。

基于新思想、新原理及新概念的先进增升减阻理论与方法是先进航空飞行器领域的核心关键技术之一，其突出优点是能够显著提升飞行器起降性能、长时驻空、低噪声、宽的飞行包线等关键性能，将可能给飞行器关键性能提升带来颠覆性的重大影响，如何同时兼顾高增升减阻效益及低能量损耗是制约各类主动流动控制技术及其应用研究的"卡脖子＂核心问题。协同射流是一种基于型面高负压特征的内外循环零质量射流原理的新型低能耗流动控制技术，本项目采用理论分析、数值模拟和风洞试验验证相结合的研究手段，深入开展了脉冲和稳定协同射流混合层大尺度涡结构、湍流掺混/演化/发展物理机制和作用、考虑频率/相位等不同脉冲控制参数对掺混特性的影响、低攻角附着流状态下协同射流翼型性能提升的流动机理及设计准则等研究内容，阐释了脉冲协同射流翼型高升阻比、超升力效应的流动机理及参数影响，建立了一种基于脉冲协同射流原理的翼型新型流动控制分析与关键参数精细设计方法。相关数值模拟及试验结果表明：在实现较低能耗的基础上，能够显著控制大攻角分离流，大幅度提高最大升力系数，显著推迟失速攻角，与相比，实现与常规翼型最大升力相比高出数倍的超高升力特征；此外，在小攻角状态下近壁面能量注入能够弥补尾迹区动量损失，实现了一定程度的推力效应，从而抵消部分阻力，使得计及能量消耗后的等效升阻比显著提高，本项目典型试验案例-CFJ翼型最大升力系数提高了56.8%，最大升阻比提高了48.4%。上述突出的增升减阻效果，使得CFJ技术在未来航空飞行器核心升力部件研制中具有重大的应用推广价值，例如，超短距起降运输机/无人机机翼设计、临近空间超长航时太阳能无人机机翼设计、绿色能源短距起降大载重电动飞机机翼及其增升装置设计等诸多方面，为未来高性能翼型、机翼/旋翼、新概念飞行器总体气动布局提供了新的设计理念和解决途径。