基于升华法的后掠翼混合层流控制研究

在低湍流度风洞中针对45°后掠角NACA64A-204翼型模型,采用升华流动显示技术研究不同吸气量和不同迎角状态下混合层流控制(HLFC)对转捩位置的影响。结合热线方法测量流向速度研究扰动增长的机制。实验结果表明:萘升华流动显示技术适合用来研究HLFC方法对后掠翼转捩的影响,可以直观和准确地表示后掠翼上的转捩位置;在无吸气的情况下,随着迎角从-6°到2°增大,层流区长度先增大后减小;HLFC方法可以显著推迟由横流不稳定触发的转捩;在同一迎角下增加吸气量,可以更有效地减小主要扰动波的能量。

基于能量观点的混合层流优化设计

为了合理地在混合层流设计中减小阻力,降低能量消耗,利用吸气控制功率消耗与阻力、吸气速度的关系式,建立了考虑以吸气功率最小为优化目标的优化设计方法。该优化设计方法采用了自由变形(FFD)参数化方法,紧支型的径向基函数(RBF)动网格技术,改进的微分进化(DE)算法,以及耦合基于eN转捩预测的RANS流场高精度求解器。针对25°后掠角的跨声速无限展长后掠翼,进行了以阻力最小为优化目标的均匀吸气和以功率消耗最小为优化目标的分布式吸气的混合层流优化设计。优化结果表明,基于能量观点的优化结果在雷诺数10×10~6下可以达到均匀吸气的阻力收益,相比初始构型,阻力降低了29. 1%,上下翼面转捩位置分别推迟了18%和15%弦长,功耗降低了1. 7%;而在雷诺数20×10~6状态下,相比初始构型,阻力减小了41. 3%,比均匀吸气阻力优化结果提高了4. 5%,上下翼面转捩位置分别推迟了52%和14%弦长,功耗降低了8. 14%。优化结果表明,建立的基于能量观点的混合层流优化方法是可行的。

层流流动控制技术及应用

民机受到的摩阻占其总阻力很大比例,减少摩阻对改善民机性能和降低成本具有重要意义。层流摩阻远小于湍流摩阻,因此扩大层流区,甚至实现全层流流动是减阻的一个重要途径。为此,形成了包括自然层流流动、全层流流动和混合层流流动3种层流流动控制技术。本文从减阻分析,对3种层流流动控制技术的概念、方法、优缺点、可带来的效益,层流流动控制技术的设计方法,层流流动飞机的维护(包括防昆虫和冰粒等污染的措施)等方面作了较为系统的阐述。概要介绍了国外1930—2000年间层流流动控制技术的研究简况,并选择X-21A飞机缝道吸气飞行试验、JetstarHLFC前缘系统模拟航线飞行的飞行试验、以及Boeing 757HLFC飞行试验等重要项目为例阐述了层流流动控制技术的发展状况,指出了今后进一步研究的方向。

层流流动主/被动控制技术

摩擦阻力在民机总阻力中占很大比重,减少摩擦阻力对改善民机性能和实现绿色航空具有重要意义。层流摩擦阻力远小于湍流摩擦阻力,因此扩大层流区,甚至实现全层流流动,是减阻的一个重要途径。目前形成了自然层流流动、全层流流动和混合层流流动控制(HLFC)3种层流流动主动控制技术。本文基于减阻和流动不稳定分析,对3种控制技术的概念、方法、优缺点、可带来的效益和应用层流流动控制技术的飞机的设计方法及维护(包括预防昆虫和冰粒等污染的措施)等方面作了较为系统的阐述。概要地介绍了X21A、Jetstar、Boeing 757等飞机的HLFC飞行试验验证项目,结果表明了层流流动主动控制技术的有效性和困难性。本文也从原理到飞行试验较为系统地介绍了一种层流流动被动控制技术。

后掠翼混合层流控制机制的实验

在低湍流度风洞中针对NACA64A-204翼型后掠翼模型进行混合层流控制(HLFC)实验研究.通过萘升华流动显示技术以及热线测量边界层速度的方法,研究了不同吸气量条件下HLFC对后掠翼转捩位置以及流动稳定性的影响.实验结果表明:无吸气的情况下,转捩出现在x/c≈0.4,标准和两倍抽吸量条件下,转捩位置可以达到80%弦长位置(最小压力点下游).HLFC方法可以减弱后掠翼边界层平均流的扭曲,降低扰动之间的非线性作用,减小不稳定扰动波的能量,延迟转捩获得更大的层流区.

混合层流机翼气动设计与综合收益影响

揭示混合层流控制(HLFC)作用下超临界机翼气动设计原理及综合收益变化规律,是开展HLFC超临界机翼设计的关键。针对具有中等后掠角的大展弦比机翼,借助耦合RANS求解器与eN的转捩预测方法,分别基于传统超临界机翼及自然层流(NLF)超临界机翼典型设计升力系数,开展HLFC机翼气动鲁棒设计。设计升力系数为0.53和0.46时分别获得10.06%和9.6%的减阻收益。HLFC机翼具有比NLF超临界机翼更大的适用设计升力系数。吸气控制强度沿展向方向随当地雷诺数的减小呈递减趋势,在弦向方向呈现类“凹”字形的分布特征。针对中短程客机的HLFC综合收益分析表明,降低吸气控制系统的重量惩罚,以一定吸气功率代价,提高巡航升阻比,可显著提高HLFC超临界机翼的效能。

考虑吸气分布影响的HLFC机翼优化设计

针对混合层流流动控制(HLFC)机翼气动优化设计问题,采取将自由变形(FFD)参数化方法、基于紧支函数的径向基函数(RBF)动网格技术和改进的微分进化算法直接与CFD数值评估方法进行耦合的方式,建立了可同时考虑吸气控制分布和机翼型面影响的HLFC机翼气动优化设计系统。其中转捩预测方法为e N。针对无限展长后掠翼,利用该系统进行了单点、考虑升力系数变化的多点以及同时考虑了升力系数和马赫数变化的多点鲁棒优化设计研究。设计结果表明:HLFC机翼的有利压力分布形态为头部峰值较低,峰值之后为一定的逆压力梯度,之后为大小适宜的顺压力梯度。相比于初始构型,单点优化设计结果凭借有利压力分布形态将转捩点从弦长的2%推迟到了弦长的57%,但是吸气控制强度却只有初始构型的一半左右。多点设计结果表明:提高吸气控制强度尤其是吸气区域首尾2部分的吸气强度,有利于提高HLFC机翼的鲁棒性。当马赫数在0.77~0.79的范围内变化,升力系数在0.53~0.65的范围内变化时,多点设计结果都能维持37%弦长以上的层流区。

HLFC后掠翼优化设计的若干问题

使用扩展自由变形参数化方法,基于径向基函数的动网格技术和改进的混合粒子群算法,考虑吸气的e^N转捩预测方法和雷诺平均Navier-Stokes求解器,搭建了针对混合层流流动控制(HLFC)后掠翼的优化设计平台,对HLFC后掠翼的气动外形设计、雷诺数影响、吸气分布设计等多个问题进行了研究,对比分析了在这些因素影响下HLFC后掠翼的阻力系数和层流区长度的差别,进而探索了相应的设计准则。研究表明,对于层流区较长和阻力系数较小的HLFC后掠翼来说,它们上表面的压力分布具有共同的特征:头部峰值较低,之后有一个小的逆压,接下来是一段较长的均匀稳定的顺压,这段顺压最后终结于一道激波。应用HLFC技术后,通过实现大面积的层流区,机翼的摩擦阻力和压差阻力均可显著地降低,降低的幅度远大于不考虑层流控制的设计结果。同时,HLFC机翼的设计应综合考虑摩擦阻力、压差阻力、激波强度和配平阻力(低头力矩),层流区最长不一定意味着阻力最小。一般来说,雷诺数越高,越难维持层流,但应用混合层流控制技术后,即使在难以实现自然层流的高雷诺数下,HLFC机翼依然有较长的层流区。通过对吸气分布的设计进行研究,说明了非均匀吸气比均匀吸气要更有效率一些,能够节省吸气量。