应用微小狭缝微吹/吸气产生横向行波降低平板湍流摩阻的实验研究

湍流减阻及控制不仅是湍流基础研究中的难题，也是飞行器（特别是大飞机）、汽车、管道输运等实际工程问题关注的焦点之一，研究它对节省能源、保护环境、增强国防提高国民经济均有积极作用。本项目拟采用控制微小狭缝吹/吸气产生横向行波，研究对平板湍流减阻的效果和机理，探索对平板边界层流动闭环控制的可能性。通过对沿展向分布的多条狭缝吹/吸气相位、频率和幅值的控制，产生横向行波，影响边界层内层流向涡的产生和发展，起到减阻作用。研究将采用多种流动测量与控制技术结合的实验技术，系统地观测减阻时的湍流结构，深入研究减阻机理，探索闭环控制的可能性，对湍流减阻技术的实用化、理论化做些基础性的工作。同时，研究可为相应数值计算提供验证数据没，为飞机、汽车输运工具的节能、环保设计提供理论和数据支持。

本研究旨在探索利用微吹/吸气实现平板湍流减阻的方法以及与此相关的基础科学问题研究。在总结大量前人工作的基础上，提出利用多条狭缝微吹/吸气产生行波进行平板湍流减阻的构想。主要的科学问题包括：狭缝微吹/吸装置的研制，关键吹/吸控制参数研究，减阻效果和机理研究。为了研制有效的狭缝微吹/吸控制装置，研究了微狭缝的缝内几何形状对微射流的影响，系统研究了多种正多棱柱截面的柱体绕流特性，在此基础上，分别选用正三棱柱形状条棱和圆柱形状作为微狭缝缝内几何形状，研究微射流通过多条这样的狭缝完成吹/吸动作时的流动拓扑结构和流场细节，设计平板湍流减阻实验中微射流的吹吸频率和幅度，并利用这些参数对平板湍流边界层进行减阻研究，研究减阻效果和机理，构思了本课题未来的研究方向和思路。研究发现，利用狭缝微吹吸可以产生近壁流向涡对，这些流向涡对对原本平板边界层内的流向涡对有弯曲、扩大低速区间距的效果，从而使得摩擦阻力降低。为了进一步研究这种流向涡对湍流边界层的影响，研究了一种仿生翼型结构的升阻气动特性，其前缘有波状凸起结构，这些波状前缘可以产生便于研究的尺度较大的流向涡对，通过研究发现，这样的结构也能产生减阻作用，同时减小升力面上的压力，可以提高升力，且提高了失速攻角，进一步研究发现，这种结构产生的流向涡对对翼型动态失速有良好的控制作用。本研究很大程度上加深和扩展了申请时所立的目标，因为时间的原因，申请时所立的任意行波及反馈控制目标仍未实现，但目前的工作是继续实现这个目标的良好基础。