不同前緣形狀非細(xì)長(zhǎng)三角翼等離子體流動(dòng)控制的參數(shù)影響實(shí)驗(yàn)

李 昌, 趙光銀*, 于文濤, 張 鑫

(1.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心空氣動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川綿陽(yáng),621000;2.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心低速空氣動(dòng)力研究所, 四川綿陽(yáng),621000)

現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)由于對(duì)高速和高機(jī)動(dòng)性的要求,較多采用三角翼布局,然而大迎角狀態(tài)下三角翼繞流發(fā)展為脫體渦流型,其空氣動(dòng)力特性受前緣渦結(jié)構(gòu)影響較大,同時(shí)前緣形狀、雷諾數(shù)、迎角均對(duì)三角翼前緣渦的穩(wěn)定性、破裂等有顯著影響[1-7]。

通過(guò)流動(dòng)控制手段能夠有效控制三角翼繞流中分離流和旋渦,推遲三角翼大迎角下渦破裂或者增強(qiáng)渦強(qiáng)度,可提高機(jī)翼穩(wěn)定性和改善升力特性[8-13]。等離子體氣動(dòng)激勵(lì)具有響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻帶寬等優(yōu)點(diǎn),在分離流和旋渦控制領(lǐng)域有一定發(fā)展?jié)摿14]。

國(guó)際上三角翼等離子體流動(dòng)控制研究仍處于初步探索階段,現(xiàn)有研究中多采用AC-DBD等離子體激勵(lì)[1],其中主要有4種DBD等離子體激勵(lì)器布局用于三角翼前緣渦控制的探索研究:①激勵(lì)器布置在機(jī)翼前緣,由脈沖式放電引入的前緣非定常擾動(dòng)比連續(xù)式放電控制效果好[15-16];②激勵(lì)器垂直于前緣布置以誘導(dǎo)附面層向下游加速,定常連續(xù)放電激勵(lì)效果比非定常脈沖激勵(lì)效果好,逆氣流方向的連續(xù)激勵(lì)可導(dǎo)致旋渦提前破裂[17];③激勵(lì)器沿二次分離線布置,研究認(rèn)為這種布局下的非定常激勵(lì)對(duì)旋渦的穩(wěn)定性有一定控制效果[17];④激勵(lì)器布置在上翼面不同弦向或垂直于翼根的位置,以誘導(dǎo)流動(dòng)順渦軸方向加速[18-19]。以上研究主要以尖前緣三角翼為研究對(duì)象,此時(shí)分離點(diǎn)被固定在前緣處,然而實(shí)際中的飛行器前緣常為鈍前緣結(jié)構(gòu),因此將流動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于鈍前緣機(jī)翼的研究更有意義。

相關(guān)研究表明,在同樣來(lái)流條件和后掠角下,三角翼的不同前緣形狀會(huì)對(duì)渦運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生很大影響,相對(duì)于尖前緣三角翼,鈍前緣三角翼的渦流特性由于前緣黏性效應(yīng)而更為復(fù)雜,其前緣渦分離點(diǎn)位于前緣下游[3]。前緣渦特性的差異會(huì)影響流動(dòng)控制效果,因此有必要研究揭示等離子體氣動(dòng)激勵(lì)對(duì)不同前緣形狀三角翼繞流的控制規(guī)律和機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

1.1 風(fēng)洞

實(shí)驗(yàn)在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的FL-11風(fēng)洞中完成,實(shí)驗(yàn)段尺寸為1.8 m(寬)×1.4 m(高),模型中心距實(shí)驗(yàn)段入口2.6 m,穩(wěn)定風(fēng)速范圍為10～105 m/s,當(dāng)風(fēng)速低于70 m/s時(shí)湍流度達(dá)到0.000 8。本文中實(shí)驗(yàn)風(fēng)速固定為50 m/s。

1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑?個(gè)不同前緣形狀的翼-身組合體,其機(jī)翼是45°后掠角的三角翼,機(jī)翼展弦比為2,厚度10 mm,迎角45°時(shí)形成的風(fēng)洞阻塞度為2.53%,其他參數(shù)見(jiàn)表1。模型如圖1～2所示,其中尖前緣機(jī)翼為WingSLE,圓前緣機(jī)翼為WingCLE,橢圓前緣機(jī)翼為WingELE。模型主要部件包括機(jī)身、機(jī)翼、整流蓋板、天平套筒等,均采用樹(shù)脂材料通過(guò)3D打印制成,加工精度為0.05 mm。模型通過(guò)機(jī)身內(nèi)嵌套筒與天平配合。

表1 模型參數(shù)表

1.3 激勵(lì)系統(tǒng)

激勵(lì)系統(tǒng)主要包括等離子體激勵(lì)器和高壓電源。其中等離子體激勵(lì)器構(gòu)型如圖3所示,包括激勵(lì)器電極和絕緣介質(zhì)層。激勵(lì)器電極由厚度0.02 mm的銅箔制成,其中高壓電極寬度為5 mm;低壓電極寬度為10 mm;絕緣介質(zhì)層為0.2 mm厚度的聚酰亞胺膠帶,介電常數(shù)為3.4。

(a)Wing SLE (b)Wing CLE (c)Wing ELE

圖3 介質(zhì)阻擋放電等離子體激勵(lì)器布局圖

相關(guān)研究表明,布置于前緣的激勵(lì)器對(duì)于非細(xì)長(zhǎng)三角翼的控制效果優(yōu)于其他布局[20],為此本文設(shè)計(jì)了Type A和Type B兩種前緣激勵(lì)器布局研究其對(duì)于三角翼氣動(dòng)力特性的影響,其中Type A激勵(lì)器能夠產(chǎn)生從前緣頂點(diǎn)指向上翼面的等離子體,Type B激勵(lì)器則產(chǎn)生從前緣頂點(diǎn)指向下翼面的等離子體。以圓前緣三角翼模型為例,圖4給出了激勵(lì)器布置示意圖,高壓和低壓電極的間隙為0。

(a)Type A激勵(lì)器

使用的脈沖等離子體電源為CTP-2000K,功率為500 W。輸入為0～220 V、50 Hz的交流電,輸出為脈沖頻率(1～1 000 Hz)、載波頻率(5～20 kHz)和輸出電壓(0～30 kV)能在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的正弦波。該電源為穩(wěn)電壓輸出,電壓(U)調(diào)節(jié)至特定值后,輸出端電流(I)可以通過(guò)電源自帶的電流表讀取(波動(dòng)量0.01 A),電源輸入功率P=UI測(cè)量的相對(duì)誤差為1%。

等離子體激勵(lì)器有2種工作模式:定常激勵(lì)與非定常激勵(lì)。圖5給出了AC-DBD等離子體定常和非定常激勵(lì)的波形圖。定常激勵(lì)時(shí),加載電壓波形為連續(xù)的正弦波,激勵(lì)器可誘導(dǎo)產(chǎn)生準(zhǔn)定常的近壁面射流;非定常激勵(lì)則是帶占空比的周期性脈沖放電,激勵(lì)器可誘導(dǎo)產(chǎn)生非定常的近壁面渦流擾動(dòng)。此時(shí)關(guān)鍵參數(shù)為占空比τ和脈沖頻率f,其中脈沖頻率f根據(jù)平均氣動(dòng)弦長(zhǎng)l和來(lái)流速度u∞進(jìn)行無(wú)量綱化,定義無(wú)量綱脈沖頻率f+=fl/u∞,通過(guò)無(wú)量綱脈沖頻率f+有利于獲取非定常擾動(dòng)對(duì)流動(dòng)控制效果影響的普遍規(guī)律。

圖5 激勵(lì)器定常和非定常工作模式示意圖

本文中實(shí)驗(yàn)工況見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)工況表

1.4 測(cè)試設(shè)備及方法

1.4.1 風(fēng)速管

使用T4-800型風(fēng)速管獲取實(shí)驗(yàn)參考速壓,風(fēng)速管安裝于實(shí)驗(yàn)段上游遠(yuǎn)離翼型截面的位置,從而降低對(duì)翼型周?chē)鲌?chǎng)的干擾。

1.4.2 實(shí)驗(yàn)天平

采用TG0203A應(yīng)變天平測(cè)力。天平的浮動(dòng)端與模型相連,固定端與支撐裝置連接。為避免AC-DBD激勵(lì)對(duì)天平測(cè)力帶來(lái)電磁干擾,天平與激勵(lì)系統(tǒng)的電源線、信號(hào)線分開(kāi)接地,同時(shí)采取同軸電纜等屏蔽措施。

1.4.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

采用PXI 總線數(shù)采平臺(tái)采集天平數(shù)據(jù)。該平臺(tái)主要由前置放大器、數(shù)據(jù)采集器、通訊卡、控制計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)等部分組成,并配套編寫(xiě)相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集和處理程序。

1.4.4 油流實(shí)驗(yàn)方法

油流法是一種簡(jiǎn)單有效的流動(dòng)顯示方法,采用滑石粉、機(jī)油、液態(tài)蠟配制為混合試劑后均勻涂抹于模型上表面,具體配比根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)溫、濕度條件進(jìn)行調(diào)整。在風(fēng)洞上方使用攝像機(jī)記錄模型表面油流圖譜。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

首先進(jìn)行AC-DBD激勵(lì)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)電磁干擾的排除實(shí)驗(yàn)和天平測(cè)力重復(fù)性實(shí)驗(yàn),均在圓前緣三角翼模型上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)采用同軸電纜和良好接地等措施有效消除了電磁干擾,在升力方向加載20 N力的條件下,對(duì)比了激勵(lì)器關(guān)閉、定常激勵(lì)(Up-p=12 kV,f=5.239 Hz)、非定常激勵(lì)(Up-p=12 kV,f+=1.0,τ=30%)的升阻力測(cè)量結(jié)果(見(jiàn)圖6),可知測(cè)力結(jié)果的重復(fù)性和穩(wěn)定性良好。另外實(shí)驗(yàn)前對(duì)所用天平的測(cè)力進(jìn)行了5次重復(fù)實(shí)驗(yàn),升力系數(shù)(CL)和阻力系數(shù)(CD)測(cè)量相對(duì)誤差均小于5%(見(jiàn)圖7)。

圖6 電磁干擾排除結(jié)果

(a)升力系數(shù)

2.1 干凈模型的氣動(dòng)特性

在風(fēng)速50 m/s條件下開(kāi)展了干凈(無(wú)激勵(lì)器)模型的測(cè)力實(shí)驗(yàn),結(jié)果如圖8所示。對(duì)于相同后掠角,不同前緣形狀的三角翼,其氣動(dòng)特性表現(xiàn)出明顯差異。兩種鈍前緣三角翼的失速迎角均大于尖前緣三角翼,這與文獻(xiàn)中研究結(jié)果一致[3]。

(a)升力系數(shù)

在小迎角狀態(tài)下,尖前緣三角翼的升力系數(shù)略高于鈍前緣機(jī)翼的升力系數(shù)。這是由于相較于其他兩種鈍前緣三角翼,尖前緣的前緣剪切層會(huì)更早分離產(chǎn)生前緣渦,前緣渦為機(jī)翼提供了額外的渦升力[21-22]。

對(duì)圓和橢圓兩種鈍前緣的三角翼,兩者在較低迎角下(α<5°)的升力系數(shù)曲線基本重合。隨迎角增大,圓前緣三角翼的升力系數(shù)明顯高于橢圓前緣,其失速迎角也最大。

對(duì)于阻力系數(shù),鈍前緣三角翼的阻力系數(shù)在迎角約22°以下均明顯低于尖前緣三角翼的阻力系數(shù)。從升阻比上來(lái)看,2種前緣形狀三角翼的最大升阻比出現(xiàn)在4°～7°小迎角狀態(tài)下。其中橢圓前緣機(jī)翼最大升阻比可達(dá)到9。尖、圓、橢圓3種不同前緣形狀三角翼最大升阻比對(duì)應(yīng)的平均升力系數(shù)為CLS= 0.33,CLC= 0.30和CLE= 0.41(下標(biāo)S-尖前緣,C-圓前緣,E-橢圓前緣)。迎角達(dá)到10°之后,3種前緣形狀三角翼的升阻比變化趨勢(shì)一致,圓形前緣三角翼的升阻比最大。

前緣形狀對(duì)三角翼的基準(zhǔn)氣動(dòng)特性產(chǎn)生了明顯的影響,其原因與前緣渦的形成與發(fā)展緊密相關(guān)。

2.2 激勵(lì)器布局影響

為了研究AC-DBD激勵(lì)器的最佳作用位置,基于Type A 和Type B兩種激勵(lì)器下,開(kāi)展了圓前緣三角翼流動(dòng)控制的測(cè)力實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)速度50 m/s,激勵(lì)電壓峰-峰值Up-p=12 kV,占空比τ=30%,對(duì)應(yīng)模型基于平均氣動(dòng)弦長(zhǎng)的雷諾數(shù)Re=0.64×106,無(wú)量綱脈沖頻率f+=fl/u∞=1.0(對(duì)應(yīng)的脈沖激勵(lì)頻率為250 Hz)。激勵(lì)前后不同迎角下升阻力變化量如圖9所示。

(a)升力系數(shù)變化量

Type A 和Type B兩種激勵(lì)器均能取得一定的控制效果,在失速之前,Type A激勵(lì)器對(duì)升力系數(shù)的增加量更顯著。失速之后則Type B激勵(lì)器效果更優(yōu)。這可能與失速前后三角翼繞流特性的變化有關(guān),對(duì)于非細(xì)長(zhǎng)三角翼,在迎角不大時(shí),前緣分離剪切層在機(jī)翼內(nèi)側(cè)又附著于翼面上,流態(tài)如圖10(a)所示;而隨著迎角增大,附著點(diǎn)內(nèi)移,在臨界迎角時(shí)移至翼根,這意味著即將失速,失速后的剪切層附著點(diǎn)脫離翼面[23],流態(tài)如圖10(b)所示。

(a)非細(xì)長(zhǎng)三角翼上附體 (b)三角翼上非附體

2.3 激勵(lì)參數(shù)的影響

2.3.1 激勵(lì)方式的影響

在3種前緣形狀三角翼前緣敷設(shè)Type A激勵(lì)器,采用定常激勵(lì)和非定常激勵(lì)兩種激勵(lì)方式開(kāi)展流動(dòng)控制研究,激勵(lì)電壓峰峰值Up-p=12 kV,載波頻率f=5.294 kHz,非定常激勵(lì)下無(wú)量綱脈沖頻率f+=1.0,占空比τ=30%。激勵(lì)前后不同迎角下三角翼氣動(dòng)特性見(jiàn)表3和圖11～13。

表3 AC-DBD激勵(lì)控制前后三角翼的氣動(dòng)特性

(a)升力系數(shù)

(a)升力系數(shù)

(a)升力系數(shù)

對(duì)于圓前緣三角翼,前緣AC-DBD的2種激勵(lì)方式均可推遲失速迎角,并同時(shí)提高升力系數(shù)和阻力系數(shù),非定常激勵(lì)作用效果更好;對(duì)于尖前緣三角翼,前緣AC-DBD激勵(lì)僅在失速迎角之后起作用,且對(duì)升力系數(shù)和阻力系數(shù)的改善不明顯,非定常激勵(lì)作用效果相對(duì)較好;對(duì)于橢圓前緣三角翼,AC-DBD激勵(lì)的作用效果介于圓前緣和尖前緣三角翼之間,在失速迎角前后均能提高氣動(dòng)特性,但是作用效果有限,且無(wú)法推遲失速迎角。

定常激勵(lì)可產(chǎn)生使流體向下游加速的近壁面切向體積力,實(shí)驗(yàn)證明這種方式并不能有效提高三角翼氣動(dòng)特性;而同樣激勵(lì)電壓下的非定常激勵(lì)則是通過(guò)對(duì)前緣剪切層產(chǎn)生擾動(dòng)來(lái)起作用的。非定常激勵(lì)的控制效果明顯優(yōu)于定常激勵(lì),說(shuō)明AC-DBD前緣激勵(lì)控制非細(xì)長(zhǎng)三角翼的主要原理是利用激勵(lì)或擾動(dòng)的非定常性激發(fā)剪切層的不穩(wěn)定性進(jìn)而達(dá)到流動(dòng)控制的目的。

根據(jù)尖前緣三角翼上表面油流的運(yùn)動(dòng)錄像,畫(huà)出壁面流線如圖14所示,在α=16°時(shí)三角翼還未失速,但是機(jī)翼上已經(jīng)出現(xiàn)了大面積的回流,前緣渦破裂位置已經(jīng)發(fā)展到接近前緣頂點(diǎn)。施加非定常激勵(lì)后,破裂點(diǎn)向下游移動(dòng)。

圖14 非定常激勵(lì)前后三角翼上翼面油流圖譜(Up-p=12 kV,f+=1.0,τ=30%,α=16°)

2.3.2 脈沖頻率的影響

脈沖頻率是衡量激勵(lì)非定常性的一個(gè)重要參數(shù)。相關(guān)研究表明,適當(dāng)頻率的非定常擾動(dòng)能夠激發(fā)剪切層K-H不穩(wěn)定性,促進(jìn)分離剪切層附體[1]。

在Type A激勵(lì)器作用下,對(duì)不同形狀前緣的三角翼研究了脈沖頻率對(duì)控制效果的影響。實(shí)驗(yàn)風(fēng)速50 m/s,激勵(lì)電壓峰峰值為Up-p=12 kV,占空比30%,迎角為24°。取無(wú)量綱脈沖頻率f+=fl/u∞=0.5、1、2、3、4,對(duì)應(yīng)的脈沖激勵(lì)頻率分別為125 Hz、250 Hz、500 Hz、750 Hz和1 000 Hz,測(cè)力實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖15。同時(shí)圖16給出了電源的輸出功率,由于不同前緣形狀三角翼的激勵(lì)器相同,僅列出一組激勵(lì)器對(duì)應(yīng)的電源輸出功率。

(a)升力系數(shù)

α=24°時(shí),不同脈沖激勵(lì)頻率的控制均取得了一定控制效果。對(duì)于尖前緣三角翼,無(wú)量綱脈沖頻率f+=1時(shí)控制效果最佳,升力系數(shù)增大2.6%;對(duì)于圓和橢圓前緣三角翼,最佳無(wú)量綱脈沖頻率為f+= 2,升力系數(shù)分別提高了5.5%和1.8%。以上結(jié)果表明,對(duì)于45°后掠角三角翼,非定常激勵(lì)的最佳無(wú)量綱脈沖頻率f+=1～2,這與文獻(xiàn)中的其他非定常流動(dòng)控制手段的控制規(guī)律一致[24]。普遍認(rèn)為該脈沖頻率有利于激發(fā)剪切層的不穩(wěn)定性。在脈沖調(diào)制過(guò)程中,由于輸出電壓的載波頻率保持不變,此時(shí)隨脈沖頻率(調(diào)制頻率)變化,激勵(lì)器功耗基本一致。

2.3.3 占空比的影響

非定常AC-DBD等離子體激勵(lì)的占空比同樣是衡量非定常性的重要參數(shù),在占空循環(huán)作用下激勵(lì)可誘導(dǎo)產(chǎn)生一系列誘導(dǎo)渦。同時(shí),固定脈沖頻率時(shí),占空比決定了一個(gè)周期內(nèi)等離子體激勵(lì)的作用時(shí)間。在實(shí)驗(yàn)風(fēng)速50 m/s,激勵(lì)電壓峰峰值Up-p=12 kV,無(wú)量綱脈沖頻率f+=1時(shí),研究了Type A激勵(lì)器工作占空比對(duì)三角翼氣動(dòng)特性的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖17～18。

(a)升力系數(shù)

圖18 不同占空比下電源輸出功率(Up-p =12 kV,f+=1.0)

占空比為5%的激勵(lì),控制效果最佳;占空比越大,升力系數(shù)增量越小,且5%占空比的非定常激勵(lì)對(duì)圓前緣三角翼的作用效果最好。在迎角24°,占空比5%時(shí):尖前緣三角翼升力系數(shù)增大了3.6%,阻力系數(shù)增大了2.8%;圓前緣三角翼升力系數(shù)增大了5.9%,阻力系數(shù)增大了5.2%;橢圓前緣三角翼升力系數(shù)增大了4.2%,阻力系數(shù)增大了3.3%。從圖17看出,占空比5%對(duì)三角翼氣動(dòng)特性的控制效果最好,且此時(shí)電源所耗的功率最低。進(jìn)一步表明,AC-DBD等離子體激勵(lì)對(duì)45°后掠角三角翼流動(dòng)的主要作用機(jī)理在于非定常擾動(dòng)。

2.3.4 電壓的影響

非定常AC-DBD等離子體激勵(lì)強(qiáng)度與激勵(lì)電壓直接相關(guān),激勵(lì)電壓越高則擾動(dòng)強(qiáng)度也越大,進(jìn)而能夠獲取更好的控制效果。固定無(wú)量綱脈沖頻率f+=1.0,占空比τ=30%,通過(guò)改變激勵(lì)電壓開(kāi)展Type A激勵(lì)器對(duì)尖前緣和圓前緣三角翼氣動(dòng)特性的影響研究。

圖19給出了施加不同電壓激勵(lì)后模型的升阻力系數(shù)。對(duì)于45°后掠角的尖前緣和圓前緣三角翼,前緣非定常AC-DBD激勵(lì)對(duì)升阻力系數(shù)的改善效果隨激勵(lì)電壓增大而增強(qiáng),在Up-p=14 kV時(shí),2種前緣形狀三角翼在24°狀態(tài)下的升力系數(shù)分別增加了2.7%和7.3%,阻力系數(shù)分別增加了2.1%和5.7%。文獻(xiàn)[25]認(rèn)為,等離子體激勵(lì)在翼型分離控制上存在一個(gè)閾值電壓,即激勵(lì)電壓高于閾值電壓后,分離得到完全控制。本文中對(duì)45°圓前緣三角翼研究時(shí),在目前施加的電壓范圍內(nèi)(7～14 kV),還沒(méi)有觀察到明顯的閾值電壓,電源的輸出功率隨激勵(lì)電壓增大而不斷增加(見(jiàn)圖20)。脈沖AC-DBD激勵(lì)的瞬間強(qiáng)度還有待提升,發(fā)展高強(qiáng)度的短脈沖激勵(lì)更有優(yōu)勢(shì)。

(a)升力系數(shù)

圖20 不同電壓下電源輸出功率(f +=1.0,τ=30%)

2.4 控制機(jī)理探討

對(duì)于非細(xì)長(zhǎng)三角翼,失速主要是由于剪切層流動(dòng)脫離翼面導(dǎo)致的,過(guò)失速階段翼面上難以附著形成穩(wěn)定的前緣渦而存在大面積的分離區(qū),此時(shí)前緣形狀的不同會(huì)導(dǎo)致分離點(diǎn)位置和分離角度存在差異。鈍前緣三角翼的分離點(diǎn)位于上翼面前緣稍向下游,剪切層分離角相對(duì)較小,易于控制;尖前緣三角翼的分離點(diǎn)固定在前緣,剪切層的分離角度相對(duì)較大[15],受控之后附著難度較大。另外,可從流體動(dòng)能(定義為Ek=(U2+V2+W2)/2)的角度分析,前緣曲率不同影響前緣流速分布。在同樣來(lái)流條件下,圓前緣處的流體動(dòng)能明顯大于尖前緣處,這是由于在曲率較小的圓前緣處,氣流局部加速明顯,速度相對(duì)較大;尖前緣處,在前緣頂點(diǎn)附近氣流無(wú)明顯加速而直接分離,如圖21(a)和圖22(a)所示。

(a)激勵(lì)前

(a)激勵(lì)前

AC-DBD等離子體激勵(lì)能夠在三角翼前緣引入非定常擾動(dòng),促進(jìn)局部氣流摻混。其中位于尖前緣處的激勵(lì)雖然促進(jìn)了摻混,但是前緣剪切層主流側(cè)的動(dòng)能相對(duì)較低,摻混效果有限,產(chǎn)生的誘導(dǎo)流向渦強(qiáng)度較低,弱的流向渦沿分離剪切層運(yùn)動(dòng),最終被分離渦吞沒(méi),見(jiàn)圖21(b)。而位于圓前緣處的激勵(lì)則能夠更好的將高動(dòng)能流體引入分離區(qū),促進(jìn)局部對(duì)流,使剪切層失穩(wěn)產(chǎn)生較強(qiáng)的誘導(dǎo)流向渦,強(qiáng)的誘導(dǎo)流向渦發(fā)展成為附著的前緣渦,見(jiàn)圖22(b)。不同曲率前緣處施加非定常激勵(lì),誘導(dǎo)出不同的流向渦結(jié)構(gòu),從而導(dǎo)致控制效果的不同。

3 結(jié)論

本文采用AC-DBD等離子體激勵(lì),對(duì)具有不同前緣曲率的45°后掠非細(xì)長(zhǎng)三角翼模型開(kāi)展流動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)研究,主要結(jié)論如下:

1)小迎角狀態(tài)下,尖前緣三角翼的升力系數(shù)略高于鈍前緣三角翼;圓和橢圓兩種鈍前緣三角翼的失速迎角基本一致,均比尖前緣三角翼大,圓前緣三角翼能夠達(dá)到的最大升力系數(shù)最高。

2)指向上翼面的前緣激勵(lì)在失速迎角之前的控制效果更好,指向下翼面的前緣激勵(lì)則在失速迎角之后效果更佳。

3)不同前緣形狀的非細(xì)長(zhǎng)三角翼流動(dòng)控制效果存在明顯差異。圓前緣三角翼的控制效果明顯優(yōu)于尖前緣和橢圓前緣,相同激勵(lì)電壓下(12 kV),激勵(lì)控制對(duì)尖、圓和橢圓前緣三角翼在過(guò)失速階段的升力分別可提高3.6%、5.9%和4.2%。

4)非定常激勵(lì)能夠有效改善三角翼升力特性,并推遲上翼面渦破裂位置;AC-DBD控制非細(xì)長(zhǎng)三角翼的主要機(jī)理是其對(duì)剪切層的非定常擾動(dòng),最優(yōu)的無(wú)量綱脈沖頻率f+=1～2;最優(yōu)占空比τ=5%,擾動(dòng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的激勵(lì)電壓越高,控制效果越好。

5)限于電源的載波頻率,占空比低于5%時(shí)將出現(xiàn)波形不穩(wěn)。推測(cè)尺度更短的高壓脈沖放電在改善三角翼失速特性上更有潛力。不同曲率的前緣處流體動(dòng)能分布不同,顯著影響了脈沖激勵(lì)的摻混效果,進(jìn)而影響誘導(dǎo)流向渦的形成和發(fā)展,需要進(jìn)一步的數(shù)值模擬研究和精細(xì)化的鎖相流場(chǎng)顯示揭示流動(dòng)控制機(jī)理。