流向渦與機(jī)翼作用的實(shí)驗(yàn)研究

肖 恒

（中國飛行試驗(yàn)研究院飛機(jī)所，陜西 西安 710089）

旋渦運(yùn)動(dòng)是自然界和工程中一種常見的流動(dòng)現(xiàn)象，它廣泛存在于各種物體繞流中，例如在各類航空飛行器中，飛行器部件產(chǎn)生的渦在向下游發(fā)展的過程中，會(huì)和下游的飛行器部件發(fā)生相互作用，如圖1、圖2 所示。

圖1 F16 上的邊條渦

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)上的短艙渦[1]

一方面，這類旋渦能夠增強(qiáng)飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性，如F16邊條翼產(chǎn)生的邊條渦、Su30 的鴨翼渦與主翼面相互作用，能夠增強(qiáng)飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性和大迎角特性；民機(jī)上采用的短艙渦發(fā)生器，在大迎角時(shí)產(chǎn)生的短艙渦在與機(jī)翼相互作用時(shí)能夠明顯改善飛機(jī)的失速特性，提高飛機(jī)的失速迎角。

另一方面，這類旋渦在與下游部件碰撞過程中也可能導(dǎo)致飛機(jī)器出現(xiàn)一些非指令的運(yùn)動(dòng)，如F18 曾出現(xiàn)的“幻影側(cè)滑[2]”，這是因?yàn)闄C(jī)頭產(chǎn)生了非對(duì)稱旋渦流動(dòng)，在向下游發(fā)展過程中，與機(jī)身相互作用，產(chǎn)生較強(qiáng)的偏航力和偏航力矩，給飛行安全帶來了極大的隱患[2]。同樣，旋渦向下游發(fā)展過程中，與飛機(jī)部件的碰撞，也可能導(dǎo)致部件結(jié)構(gòu)的損傷，在F/A18 上旋渦向下游發(fā)展過程中，出現(xiàn)了旋渦破裂而與垂尾相互作用導(dǎo)致垂尾振蕩的問題[3]。

而對(duì)于這類旋渦和飛行器部件的相互作用模型進(jìn)行簡化，即是渦和機(jī)翼干擾模型，而根據(jù)渦的軸線與機(jī)翼空間位置的不同，可以將渦和機(jī)翼干擾分為以下三種情況：（a）平行（parallel）；（b）線面垂直（normal）；（c）渦線和機(jī)翼前緣垂直（perpendicular/streamwise），如圖3 所示。

圖3 渦和機(jī)翼干擾分類

在飛行器飛行過程當(dāng)中，這三種渦和機(jī)翼干擾都可能存在，文章主要研究垂直的渦和機(jī)翼干擾?，F(xiàn)在常見的近距耦合鴨式布局或者邊條翼布局，他們利用前體渦，改變主翼流場結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提升飛機(jī)的氣動(dòng)性能[4-5]。在導(dǎo)彈較大攻角的情況下，從前方細(xì)長體脫落的對(duì)稱渦或者由鴨翼產(chǎn)生的渦，在向后發(fā)展的過程中，前體渦會(huì)和下游的操縱舵面發(fā)生干擾，對(duì)舵面的操縱效率有著重要的影響[6-7]。在現(xiàn)在的直升機(jī)力學(xué)當(dāng)中，葉片與上一個(gè)葉片尾流當(dāng)中的葉片翼尖渦產(chǎn)生干擾，這種渦和機(jī)翼會(huì)顯著改變?nèi)~片的氣動(dòng)性能，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生特殊的聲學(xué)現(xiàn)象“葉片拍擊”[8]，如圖4 所示。

圖4 飛行器上典型的流向渦和飛行器部件的干擾

1 模型和測試方法

為了開展流向渦和機(jī)翼相互作用實(shí)驗(yàn)研究，構(gòu)建的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖5 所示，利用來流上游的平板作為流向渦發(fā)生器，并通過轉(zhuǎn)臺(tái)和升降臺(tái)精確控制流向渦的渦強(qiáng)和入射高度。

圖5 流向渦和機(jī)翼相互作用實(shí)驗(yàn)布局

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

本次研究使用的機(jī)翼為矩形機(jī)翼，機(jī)翼弦長=200mm，展長b=500mm，展弦比λ=2.5。翼剖面為NACA633418 翼型，該翼型是一種層流翼型，相對(duì)厚度為18%，最大厚度點(diǎn)出現(xiàn)在0.3c 位置，在一定升力系數(shù)范圍內(nèi)具有低阻力特性。

在機(jī)翼表面共布置8 排測壓孔：前四排的測壓孔中，每一排測壓孔都有21 個(gè)測壓孔，每排相鄰兩個(gè)測壓孔間距為5mm，而兩排相鄰測壓孔的間距為20mm。后面四排測壓孔，每一排有11 個(gè)測壓孔，相鄰兩排的測壓孔距離依然是20mm，如圖6 所示。

圖6 模型示意圖

流向渦發(fā)生器是一塊平板，如圖7 所示，弦長為150mm，展長為200mm，厚度為3mm，旋渦發(fā)生器與高精度電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)連接，通過步進(jìn)電機(jī)可精確控制渦發(fā)生器的迎角，通過調(diào)節(jié)電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)高度，可精確調(diào)節(jié)流向渦的入射高度h。

圖7 流向渦發(fā)生器示意圖

1.2 測試方法

本次研究使用的方法和技術(shù)主要包括：表面油流顯示、模型表面測壓技術(shù)。表面測壓技術(shù)的系統(tǒng)主要組成為：壓力變送器、NI 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及LabVIEW 可視化軟件。該壓力采集系統(tǒng)共有八個(gè)模塊集成的八通道壓力變送器，并且每個(gè)變送器可以單獨(dú)工作。壓力采集模塊采用差壓傳送器模擬量芯片。傳感器量程為0～0.15psi，精度為0.15Pa，動(dòng)態(tài)響應(yīng)為1kHz。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖8 是在沒有渦發(fā)生器、機(jī)翼迎角為0°的情況下油流顯示結(jié)果。從圖中可以看出：在機(jī)翼0.4c（c 是弦長）的位置，油流的示蹤粒子出現(xiàn)堆積，說明在該位置流動(dòng)出現(xiàn)明顯分離；在0.4c～0.7c 之間，表面的流譜基本無變化，說明在該位置，機(jī)翼流動(dòng)處于分離狀態(tài)；而在0.7c 之后，再次出現(xiàn)示蹤粒子的跡線，說明在0.7c位置，流動(dòng)出現(xiàn)再附，而在翼尖出現(xiàn)明顯的三維影響區(qū)。這是因?yàn)镹ACA633418 作為一種層流翼型，在低雷諾數(shù)時(shí)，機(jī)翼表面出現(xiàn)了明顯的層流分離；在層流分離后，流動(dòng)發(fā)生轉(zhuǎn)捩，流動(dòng)再次在機(jī)翼表面再附，從而在分離點(diǎn)（0.4c）和再附點(diǎn)（0.7c）之間形成層流分離泡。

圖8 無渦干擾下的油流顯示圖

圖9 所示為在渦發(fā)生器的迎角為8°，高度間隔h=10mm、ε=1c，從機(jī)翼迎角為0°時(shí)的流動(dòng)顯示結(jié)果，可以看到整個(gè)流動(dòng)區(qū)域分為五個(gè)部分：從機(jī)翼前緣到機(jī)翼表面測流分離點(diǎn)的層流區(qū)域、從再附點(diǎn)到后緣的湍流作用區(qū)域、左側(cè)的層流分離泡、右側(cè)的層流分離泡及旋渦核心作用區(qū)域。

圖9 流向渦作用下的表面流譜

此外，相對(duì)于左側(cè)的層流分離點(diǎn)，右側(cè)的層流分離點(diǎn)更加靠近于機(jī)翼的前緣，隨著遠(yuǎn)離渦核，分離泡的前、后移動(dòng)的距離逐漸減小。對(duì)于旋渦從旋渦的核心作用區(qū)域，可以看到：旋渦在與機(jī)翼相互作用的過程中，旋渦的軌跡開始向右移動(dòng)。

在渦發(fā)生器攻角為8°、ε=1c 時(shí)，通過升降臺(tái)調(diào)整旋渦發(fā)生器與機(jī)翼前緣之間的高度差h（如圖5 所示），研究高度h 對(duì)渦和機(jī)翼相互作用的影響。圖10 所示即為h=30mm、20mm、10mm、0mm 時(shí)油流顯示圖。

圖10 高度h 對(duì)旋渦和機(jī)翼作用結(jié)果的影響

對(duì)比不同結(jié)果的油流實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看到：

當(dāng)h=30 時(shí)，此時(shí)旋渦和機(jī)翼表面的流動(dòng)相互作用較為微弱，但是此時(shí)機(jī)翼表面的層流分離泡已經(jīng)被扭曲，左側(cè)的前緣分離點(diǎn)后移，右側(cè)的層流分離泡前移。

當(dāng)h 減小到20mm 時(shí)，旋渦和機(jī)翼相互作用增強(qiáng)，層流分離泡被進(jìn)一步扭曲，近乎扭斷，且左側(cè)層流分離泡前緣核后移、右側(cè)層流分離泡前緣前移被進(jìn)一步加強(qiáng)。

當(dāng)作用距離h 繼續(xù)減小時(shí)，旋渦和機(jī)翼表面流動(dòng)相互作用進(jìn)一步加強(qiáng)，流動(dòng)層流分離泡被切割成兩個(gè)部分，渦核中心作用區(qū)域的流動(dòng)逐漸擴(kuò)大。

對(duì)比分析旋渦和機(jī)翼相互作用的油流顯示結(jié)果，可以得到如圖11 所示結(jié)果。當(dāng)旋渦與機(jī)翼相互作用時(shí)，會(huì)極大改變飛機(jī)表面的流動(dòng)。

圖11 旋渦和機(jī)翼相互作用示意圖

一方面，在旋渦上洗一側(cè)，由于旋渦的上洗作用，增加了當(dāng)?shù)氐挠?，從而使得機(jī)翼表面的層流分離點(diǎn)前移，并且隨著遠(yuǎn)離渦核，這種上洗作用逐漸減弱，分離點(diǎn)前移也逐漸減?。粚?duì)于旋渦下洗一側(cè)，作用相反，下洗導(dǎo)致當(dāng)?shù)氐挠菧p小，進(jìn)而導(dǎo)致分離點(diǎn)向后移動(dòng)。

另一方面，旋渦機(jī)翼的相互作用改變了旋渦的軌跡，使得旋渦的軌跡向右滑移。