翼型升力面流动控制及气动强化效应研究

论文摘要

在飞机制造业中,高性能一直是人们关注的重点。然而,对高性能的追求会受到其他因素的限制,例如,要求保证高效率以及随着日益增长的环保意识要求飞机更环保。为了突破这些因素的限制,研究人员就不同方向展开了研究,很多研究成果在实践中得到了应用并取得了理想的效果,其中流动控制就是可行的方法之一。流动控制的目的是将自然的流动状态转变成理想的流动状态。这种方法的可行性在工程上已经得到了很好的验证,工程应用结果表明,合理的流动控制能够减少阻力、延缓失速以及提高飞机的机动性。然而在理论研究方面,人们对该领域的了解尚有欠缺。本文通过引入一种新的主动流动控制方法来解决在提高飞机或者说提升升力面气动性能时所遇到的问题。这种控制方法通过控制流动使其在高迎角角时不发生流动分离来延缓失速的发生。本文首先介绍了研究中涉及的空气动力学知识,包括流动分离等物理现象以及这些物理现象对升力面气动性能的影响,接着本文研究了不同机翼厚度和流动雷诺数的失速情况。目前,科研人员对微型飞行器(MAV)研究日益火热,相对于常规的飞行器,微型飞行器会产生一些新的气动现象(例如涡旋升程和层流分离气泡),其气体动力学特性仍有待科研人员的进一步研究。另外所有飞行器类别(MAV,运输机或战斗机)在特定条件下,可能会失去其空气动力学性能,因此需要进行流动控制来保证其安全性,从而达到最终要求。总之,本章对流体、移动壁、变形翼等不同情况的流动控制进行了综述。第二部分着重介绍一种名为合成射流致动器(SJA)的点式射流控制方法。通过数值方法研究了这种流动控制在二维NACA0015翼型上的气动性能,结果表明,在中低AOAs工况下,计算结果与实验数据吻合较好,其中实验和数值模拟都是基于能够有效预测失速角的湍流模型。此外,这部分还研究了射流频率和动量对升力时间信号的影响以及平均流量和合成射流结构拓扑之间的相互作用。第三部分是本研究的实验部分,其主要包括三个方面内容。首先,通过计算不同势能和涡量的升力系数,并将计算结果与对应的薄翼型升力系数进行比较,验证了LAR厚翼型流动特性与非线性升力近似方程的一致性。接着本文设计了一种新的移动壁流动控制方法,并在厚度为0.57AR的NACA00 15型LAR机翼上进行了低雷诺数测试,结果显示移动壁流动控制方法能有效提升机翼的气动性能。最后,该部分重点研究了移动壁流动控制对LAR机翼三维特征的影响。其方法为通过PIV测量对不同翼弦位置近翼尖端的流动进行可视化系处理,然后根据研究结果分析流动控制与展向流相互影响,这种展向流会使朝向翼根和翼梢旋涡强度的动量增加。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• Nomenclature
• Chapter 1: Introduction
•   1.1. Background and Significance
•     1.1.1. Background
•     1.1.2. Significance
•   1.2. Survey of the State of the Art
•     1.2.1. Fluidic Flow Control
•     1.2.2. Moving Wall Flow Control
•     1.2.3. Aeroelastic Wings Planforms Flow Control Concepts
•     1.2.4. Literature Findings
•   1.3. Main Contents of the Dissertation
• Chapter 2: Numerical and Experimental Methodology
•   2.1. Introduction
•   2.2. Numerical Method
•     2.2.1. Governing Equations
•     2.2.2. Turbulence Modeling
•     2.2.3. Reynolds Averaged Navier-Stokes Approaches
•     2.2.4. Closure Problems
•     2.2.5. Computational Procedures
•   2.3. Experimental Apparatus
•     2.3.1. Wind Tunnels
•     2.3.2. Airfoil's Design
•     2.3.3. Flow Speed Measurements
•     2.3.4. Forces measurements
•     2.3.5. PIV measurements
• Chapter 3: Numerical Investigation of the Flow Control by Synthetic Jet
•   3.1. Introduction
•   3.2. Computational Methods
•     3.2.1. Problem Positioning
•     3.2.2. Airfoil Import and Computational Geometry
•     3.2.3. Computational Setting
•     3.2.4. Grid Generation and Independency
•     3.2.5. Computational Validation
•     3.2.6. SJA Modeling
•   3.3. SJA Effects on the Aerodynamic Coefficients
•   3.4. SJA Effects on the Flow Separation
•   3.5. Topological Analysis of the Interaction Synthetic Jet-Freestream
•   3.6. Synthetic Jet Control Parameterization
•     3.6.1. Jet Frequency Effect
•     3.6.2. Jet momentum effect
•   3.7. Summary
• Chapter 4: Experimental Study of the moving wall flow control effectiveness
•   4.1. Introduction
•   4.2. Experimental Methods
•     4.2.1. Wing Design
•     4.2.2. Experimental Mounting
•   4.3. Control Effect on the Aerodynamic Performances
•     4.3.1. Lift Force
•     4.3.2. Drag Force
•     4.3.3. Lift-to-Drag Ratio
•   4.4. Lift Temporal Frequency Analysis
•   4.5. Temporal Response to the Control
•   4.6. Mid-Span Flow Visualization
•   4.7. High AOA Flow Reattachment Control-Ability
•   4.8. Summary
• Chapter 5: Experimental Study of the Moving Wall Flow Control Mechanism
•   5.1. Introduction
•   5.2. Experimental Methods
•     5.2.1. Wing Design
•     5.2.2. Experimental Mounting
•   5.3. Thick LAR Wing Aerodynamic
•   5.4. Thick LAR Airfoil Flow Separation
•   5.5. Control Effects on the Mid-Span Flow Features
•     5.5.1. Vortex Shedding
•   5.6. Effect on the Velocity Field
•   5.7. Control Effects on the Span-Wise Flow
•     5.7.1. Span-Wise Flow Visualizations
•     5.7.2. Span-Wise Momentum
•     5.7.3. Tip Vortex Swirling Strength
•   5.8. Summary
• Chapter 6: Conclusion
•   6.1. Flow physics
•   6.2. Future works
• References
• Papers published during the Ph.D. education
• Acknowledgements
• Curriculum Vitae

文章来源

类型: 博士论文

作者: 布克（Boukenkoul Mohammed Amin）

导师: 李凤臣

关键词: 流动控制,微型飞行器,合成射流致动器,移动壁流动控制,粒子图像测速

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 力学,航空航天科学与工程,航空航天科学与工程

单位: 哈尔滨工业大学

分类号: V211.4;V221.3

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.000535

总页数: 130

文件大小: 4926K

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