机翼水面效应与翼尖涡结构的相关性机理PIV实验研究

近自由水面飞行体的翼面由于受到波浪扰动和地面效应的影响，其翼尖涡流动结构呈现出不同于在自由空间或近刚性地面附近飞行时的流动结构，从而导致机翼空气动力学特性的差异。针对这一问题，拟在风水槽中用粒子图像测速（PIV）技术测量近自由面机翼翼尖涡瞬态速度场及演化过程，同时配合对机翼气动参量的测量和比较分析，探讨机翼三维流场结构演化与机翼气动载荷的相关性；将PIV瞬态速度场经统计运算获得的流场时均和相平均结果，与机翼气动参量测量结构进行比较分析，阐明近自由表面机翼翼尖涡流场与自由表面相互作用的内在力学机制，以及由于气液耦合对机翼气动载荷产生影响的规律和机理。机翼近自由表面飞行问题存在特殊的实验环境和边界条件，蕴藏着新的力学现象有待发现，因此具有重要的基础研究价值，同时对地效飞行器的设计和认识近海面鸟类飞行减租机理都具有重要的意义。

本课题进行了自由表面附近机翼翼尖涡流场结构及机翼气动力等方面的实验测量和数据分析，探讨近自由表面翼尖涡流场结构与机翼流动分离、气动特性的相关性机理；在研究过程中不断改进和完善实验方案，发展地面效应空气动力学的模型实验技术,开展了对称翼型机翼、非对称翼型机翼、后缘增升装置机翼在地面效应条件下的相关的实验研究，实验雷诺数约为86000~200000之间，并针对具体研究问题，分别在风浪槽、风洞和拖曳水池中开展了实验观测，主要的测试仪器为PIV、七孔探针、风洞天平、压力扫描阀等。主要在以下四个方面获得了一定研究成果：.1）自由表面影响下的对称翼型机翼翼尖涡结构及气动力特性. 对称机翼翼尖涡结构形态是整个研究项目的基础，研究结果做为最基本的数据与非对称及安装了增生装置的机翼试验结果相对比。研究发现小攻角时近自由表面的机翼可以获得比在刚性地面附近更高的气动效率，而中等以上攻角刚性地面附近气动效率较高，原因在于小攻角时机翼下方兴波对翼尖涡的抑制作用增强，使诱导阻力比刚性地面附近更小；.2)非对称翼型机翼翼尖涡及气动特性. 该部分研究发现，随着机翼逐渐靠近地面，失速前升力系数随攻角的变化率逐渐偏离线性，曲率增加，飞行高度越低曲线曲率越大，最终不同高度下的升力系数曲线均在攻角3度附近相交，表明，以3度攻角飞行时，机翼对地面效应不敏感；同时研究发现，当下翼面与地面或自由表面形成先收缩后扩张的通道时，在小飞行高度机翼会受到负地面效应的作用。翼尖涡在地面间隙的挤压下向翼尖外层运动，增加了涡核间距，使诱导阻力下降；正弦波浪表面机翼气动力表现出周期性，但与波浪周期存在相位差，且不为正弦波形；.3）Gurney襟翼对地面效应条件下翼尖涡结构和气动特性. 该部分内容研究Gurney襟翼对地效翼的增升效果及翼尖涡结构的影响，研究结果表明Gurney襟翼使机翼的升力得到明显提升，但阻力也随之增加，原因在于襟翼阻碍了下翼面流动，使流速下降同时增大了机翼迎风面积，同时，襟翼周围稳定的双涡结构也使翼面压力分布发生变化，改变了机翼的俯仰力矩特性。襟翼使得翼尖涡核涡量明显大于干净机翼；.4）微型后缘装置mini-TED对地面效应条件下翼尖涡结构和气动特性的影响. 该部分内容研究了加装后移式mini-TED的非对称机翼对地面效应下翼尖涡和气动力的影响。研究发现，mini-TED使机翼的气动中心