低雷诺数下局部柔性翼面对非定常流动分离的自适应控制机理研究

Unsteady flow separation occurring in the boundary layer around the wing at low Reynolds number can cause the pressure drop on the wing surface and lead to low lift-drag ratio, poor gust resistant ability for fixed-wing micro air vehicle. Therefore, the study of unsteady flow separation and its control technique is one of the key problems for the practicability of Micro Air Vehicles (MAVs). In the study, a flow control method for unsteady flow separation at low Reynolds number is proposed, which utilizes aeroelastic effects of locally flexible wing surface for self adaptive control of unsteady flow separation to optimize the flow pattern and improve aerodynamic performance of MAVs. Combined with theoretical deduction, numerical simulation and experiments, a three-dimensional aeroelastic model of locally flexible wing surface is established. Furthermore, a method for transport description of unsteady flow separation in three dimensions is developed based on nonlinear dynamics theory. From viewpoint of fluid transport, the coupling effects on evolution of unsteady flow separation and its relationship with aerodynamic performance are studied in order to reveal the flow control mechanism of locally flexible wing surface. The method presented will provide theoretical reference and technical support for development of MAVs with high efficiency and maneuverability.

低雷诺数下绕机翼流动边界层会发生非定常流动分离，造成机翼压力损失，导致固定翼微型飞行器升阻比下降、抗风能力减弱等问题。因此，研究非定常流动分离机理及其控制方法是影响微型飞行器实用化的关键问题之一。本项目针对低雷诺数下非定常流动分离控制问题，提出局部柔性翼面的自适应流动控制方法。利用柔性结构在翼面局部产生的气动弹性效应对非定常流动分离实施自适应控制，优化流场结构，以达到改善飞行器气动性能的目的。结合理论推导、数值计算与实验验证，建立三维局部柔性机翼气动弹性力学模型，并基于非线性动力学理论发展低雷诺数下三维非定常流动分离输运特征的定量分析方法。从流体输运角度阐释柔性翼面的气动弹性效应对非定常流动分离演化的影响规律及其与机翼气动特性的关系，揭示局部柔性翼面对流动分离的自适应控制机理，为发展高效微型飞行器提供重要的理论依据与技术支撑。

微型飞行器在军事与民用方面具有广阔的应用前景。低雷诺数下流动分离问题是微型飞行器的研发与实用化的关键空气动力学问题。本项目结合理论分析、数值模拟与试验验证，提出了局部柔性机翼的非定常流动分离自适应控制方法。采用CFD/CSD耦合方法对局部柔性机翼的流固耦合问题进行模拟分析，应用有限时间流形理论对非定常流动分离的动力学特性进行了定量描述并发展了非定常流动分离的拉格朗日拟序结构分析方法，将其应用于分析非定常流动分离控制中，揭示了气动弹性效应作用下非定常流动分离的动力学特性及其对机翼气动性能的影响。结果表明：1）从流体输运角度在分离泡和旋涡产生过程中，主流流体通过尖楔结构的形成与拉伸变形被输运到分离泡和旋涡中，从而降低了相应的压强。当分离泡与旋涡产生于翼面合适的位置时，将会显著增强机翼的气动性能。2）机翼升力的提高与非定常流动分离和结构振动特性有着密切联系。在一定频率范围内，结构振动与非定常流动之间发生同步共振现象，有效提高了流体输运的效率，促使多个稳定流动分离泡的形成，优化了流动结构，从而提高升力。3）向下游移动的非定常流动分离泡结构为具有增升效应的流动结构。该结构能够诱发涡量集中的旋涡，大幅增强了主流与边界层之间的物质和能量交换作用。4）局部柔性结构的振动作用对流向涡的影响显著。随着涡系结构向下游的演化，由于振动引起的扰动，脱落到尾迹中的涡系结构尺度减小，这会有效减小由于大涡脱落引起的升力下降，延迟机翼失速。本项目所发展的动力学分析方法及其在流动控制中的应用为微型飞行器流动分离控制及研究提供了新思路，并且为机翼气动弹性效应的利用提供了可靠的理论依据，对非定常流动分离的控制具有重要的指导意义。