前体涡诱导机翼摇滚的Re数效应研究

admin · 发表于 2025-2-1 15:44:04

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前体涡诱导的机翼摇滚是具有细长机身战机在大迎角下普遍出现的非线性飞行现象，不仅会造成升力损失，而且会影响飞行器的安定性和操控特性，从而严重威胁飞行安全。本文通过风洞实验研究的方法，以本文发展的机翼摇滚运动的精确复现技术和前体涡诱导机翼摇滚的多转捩丝人工转捩技术为基础，从头部扰动与自由摇滚运动的响应关系入手，结合机翼所处的前体涡的涡系结构，首先研究了前体涡系对自由摇滚运动的影响规律，在此基础上，对前体涡诱导的机翼摇滚的Re数效应进行了研究。本文通过物面压力分布和截面侧向力沿轴向的分布随Re数的演化规律，结合PIV空间流场显示试验，研究了不同Re数区前体绕流流态下，机翼处在不同前体涡系结构流动区域内，具有30o小后掠机翼的翼身组合体，自由摇滚运动随头部扰动周向角的变化规律。进一步的，本文通过复现不同实验状态下的机翼摇滚，研究了不同Re数区前体绕流流态下，机翼摇滚过程中，翼身组合体物面压力分布和气动力的动态变化规律。在风洞实验研究中，使用了两个模型：自由摇滚模型和测压模型，两者几何尺寸完全一致。本文首先在自由摇滚实验平台上使用自由摇滚模型进行自由摇滚实验，测量翼身组合体进行自由摇滚运动的时间历程，然后使用测压模型在强迫摇滚实验平台上复现相同实验条件下记录的自由摇滚运动特别是机翼摇滚的时间历程，进行动态测压试验，测量机翼摇滚过程中翼身组合体的物面压力分布，据此对前体涡诱导机翼摇滚过程中翼身组合体绕流的动态流动特性进行研究。为了使得翼身组合体绕流具有确定性，本文在前体头尖部设置了人工微扰动。本文研究发现，前体涡诱导的自由摇滚的运动形式，主要是由前体绕流决定的。前体绕流的影响主要体现在两方面，一方面，机翼处在前体非对称多涡系的不同涡区内，自由摇滚运动类型与头部扰动周向角有着不同的对应关系；另一方面，机翼处在前体非对称涡流动多涡系的相同涡区内，不同的边界层的分离类型，也影响着自由摇滚运动类型与头部扰动周向角的对应关系。而Re数对自由摇滚运动类型与头部扰动周向角对应关系的影响，就体现在这两方面上：Re数一方面影响着前体绕流边界层的分离类型，另一方面，影响着前体非对称多涡系沿轴向的发展。本文首先以前体绕流处在亚临界Re数区的情况为基本状态，研究机翼处在不同前体涡区内，对自由摇滚运动类型与头部扰动周向角对应关系的影响规律。在研究中，本文是通过改变机翼沿机身轴向的位置和改变迎角，使得翼身组合体的机翼处在不同的前体涡区内的。而判断机翼所处的涡区，是根据PIV空间显示试验和分析前体截面侧向力沿轴向的分布确定的。研究表明，当机翼处在不同的前体涡区内时，自由摇滚运动类型与头部扰动周向角有着不同的对应关系；在不同迎角下，当机翼处在相同的前体涡区内时，自由摇滚运动类型与头部扰动周向角有着相似的对应关系。在机翼处在二涡区内时，当头部微扰动周向角在0度和180度附近约60度的范围内，自由摇滚运动形式为振荡发散；而当头部微扰动周向角在90度和270度附近约120度的范围内，自由摇滚运动形式为微振。在机翼处在三涡起始发展区时，当头部扰动处在0度和180度附近30度左右的角度范围内，自由摇滚运动形式为单极限环振荡的机翼摇滚；当头部微扰动周向角在90度和270度附近，在新生涡较小时，自由摇滚运动形式为微振，在新生涡稍壮大时，自由摇滚出现了双极限环振荡；当头部微扰动周向角在其它角度范围内，自由摇滚运动形式为微振。在机翼处在三涡充分发展区和四涡起始发展区等其它多涡区，自由摇滚运动类型与头部扰动周向角对应关系，与机翼处在二涡区和三涡起始发展区的情况具有可类比性。与此同时，前体非对称多涡系沿机身轴向左右交替从物面脱落，使得气动力特别是截面侧向力沿轴向以正弦衰减的规律正负交替变化，这使得机翼处在不同前体涡区内，对自由摇滚运动类型与头部扰动周向角对应关系的影响规律，随着涡区涡数量的增加而呈周期性的交替变化。在此基础上，本文以前体非对称涡绕流Re数效应的分区为基础，通过分析前体截面压力分布和背涡结构的PIV矢量与涡量图，结合机翼所在的涡区，分别在Re数临界起始发展区、临界区和过临界区，对自由摇滚运动类型与头部扰动周向角对应关系进行实验研究，讨论了Re数对自由摇滚运动的影响：一方面Re数通过影响边界层的分离状态，影响了作用在机翼上的气动力；另一方面， Re数从一个区增加到另一个区，使得在相同迎角下前体多涡系沿轴向的发展更为迅速，从而影响机翼所处的涡区。最后，通过动态测压实验，本文分别在亚临界区、临界起始发展区、临界区和过临界区内，着重对单极限环振荡的机翼摇滚过程中，翼身组合体绕流的动态特性进行了研究。研究表明，当前体绕流处于不同的Re数区内，机翼摇滚的产生，主要都源自机翼上表面的流动，机翼下表面只起阻尼作用，达到阻碍模型滚转运动的目的。而机翼上表面的流动是受前体非对称涡流动控制的。这说明，正是前体非对称涡流动引起的机翼摇滚。从而也印证了自由摇滚试验研究所得到的结论：自由摇滚运动类型与头部扰动周向角对应关系是由机翼所处的涡区决定的。进一步研究发现，在翼身组合体进行机翼摇滚的过程中，头部微扰动会随着翼身组合体一起滚转振荡，然而，前体非对称涡并不会随着模型物面一起运动，驻点位置在流场空间是相对固定的，只是有左右涡型的切换。由于模型的滚转运动，左右涡型的切换根据模型滚转运动的方向有一个相位滞后，反映在截面侧向力随滚转角的变化曲线上，就是在截面侧向力正负切换的滚转角附近形成一个滞回环。通过研究减缩频率对滚转振荡过程中前体非对称涡绕流动态特性的影响，本文发现，随着减缩频率的增加，左右涡型切换形成的滞回环越来越宽。

前体涡诱导机翼摇滚的Re数效应研究

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