基于涡系演化机理的大型客机涡致阻力减阻方法研究

发布时间：2020-04-02 19:03

【摘要】：减阻是飞机设计的永恒话题。对于大型客机,减小飞行阻力意味着降低运营成本和碳排放。由于飞机尾迹涡系而产生的涡致阻力(诱导阻力)是飞机飞行阻力的重要组成部分,占全机阻力的30%-50%。其中,翼尖涡系和后体涡系是最主要的涡系结构。有效控制这些涡系结构从而减小涡致阻力,是实现飞机减阻的重要方法之一。本文结合涡系演化与飞机减阻设计两方面的研究成果,利用风洞实验,研究大型客机的尾迹涡系,从涡致阻力的角度,探索通过控制涡系演化来实现减阻的方法,从而为大型客机的减阻设计提供依据。本文得到了以下三方面的研究成果:(1)在平直机翼上加装翼尖小翼,利用涡的相互作用,削弱翼尖涡的强度(环量)和尺度(涡核半径),减小了涡致阻力。小翼翼尖涡和连接拐角涡构成了同向扭结的螺旋双涡管结构,两涡通过相互作用影响彼此的位置和强度;加装小翼改变了翼尖涡的环量和涡核半径,环量越小、涡核半径越小时,涡致阻力越小。(2)简单斜劈后体的平尾翼尖涡通过相互作用可显著削弱后体脱体涡对的环量,减小涡致阻力。后体脱体涡对在后机身下表面形成、脱离、演化、消散;加装平尾后,平尾翼尖涡对显著加快了后体脱体涡对的消散;涡系的环量总和越小,涡致阻力越小;涡对之间距离更近时,相互作用更强,减阻效果更显著。(3)对大型客机模型,加装减阻装置,通过控制涡系强度和尺度,实现减阻。对飞机半模型,在翼尖处加装上翻式和分离式小翼,两种上翻式小翼有效削弱了翼尖涡环量,实现了减阻;分离式小翼将翼尖涡破碎成两个涡,但并未减小总环量和阻力。对飞机后体模型,加装涡流发生器,其中在较靠前的位置加装时,后体涡对环量减小,涡致阻力计算值和总阻力测量值也减小。综上所述,对于大型客机,加装合适的翼尖小翼、涡流发生器等装置,利用涡之间的相互作用,可以削弱翼尖涡和后体涡的强度(环量)和尺寸(涡核半径),从而减小涡致阻力。本文基于尾迹涡系演化机理,研究减小涡致阻力的方法,可以为大型客机的减阻设计提供参考依据。
【图文】：

涡环,射流,活塞,现象

与诱导阻力相比，干扰阻力相对较小，因此，“涡致阻力”与“诱导阻力”在数量上相差不大。本文统一使用“涡致阻力”来描述这一阻力现象，后文中不再区分二者的差别，仅为从涡的角度定义阻力而使用“涡致阻力”，这也与本文通过尾迹涡演化来研究减阻方法的思路一致。简单而言，涡强度越低，涡致阻力应该越小；但对于带有强烈涡旋的涡流，其致力机理远非如此简单。而对于飞机尾迹涡系等复杂的涡结构，涡致阻力的产生机理更为复杂。基于对活塞射流涡环的研究，Gharib 在 1998 年[11]提出了涡环生长的夹止（pinch-off）理论，即涡环不能无限生长，当涡环形成时间 L/D 达到 4 左右时（L为活塞冲程，D 为直径），便不再从周围流体中吸收环量，，其环量不再增加，即与周围流体发生“夹止”现象，就好像剪断了与周围流体的联系一样，多余环量在尾迹中形成新的次级涡环，如图 1 - 5 (b)。L/D 从 2 增大到 3.8 时，涡环尺寸与环量明显增大；但从 3.8 增加到 14.5 时，涡环本身没有明显变化，但诱导出了次级涡结构。

过程图,翼尖,圆形,过程

上海交通大学硕士学位论文对于方形翼尖，在上下表面均形成了涡结构，并最终融合为一个上翻的翼尖涡[17,18]，如图 1 - 10。因上下表面均有流向翼尖的展向流动分量，上表面流体在翼梢端面产生下洗（downwash）趋势，形成下洗的正涡；下表面产生上翻（roll-up）趋势，形成上翻的负涡。由于机翼上表面压力低于下表面，翼尖处总体的横向流动趋势是向上翻卷，抑制了下洗涡的生长，上表面初级涡因而脱离边界层并消散，同时诱导出上翻的次级涡（负涡），并迅速生长增大（成为上表面主涡）；下表面初级涡也逐渐生长增大，并诱导出一个较小的次级涡（正涡）。最终，上下表面主涡（两个负涡），融合为同一个涡结构，涡的旋转方向符合流体的上翻趋势。有研究发现，在翼尖附近的上下表面还可能出现三级涡甚至四级涡，这些涡结构有可能发生二次融合[18]。流体流过方形翼尖最终也生成了一个以上翻的融合涡为主涡的涡系结构，与圆形翼尖相似，但翼尖涡形成过程有所不同。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V211.4

【参考文献】