自适应襟翼流动控制改进方法的提出与验证
发布时间：2021-04-18 04:42
减缓叶片流动分离已成为当前提高叶轮设备运行效率与安全性的主要措施。自适应襟翼仿生自鸟类翅膀上的羽毛,其在翅膀出现流动分离时受回流冲击向上抬起,进而阻止流动分离的发展。基于数值模拟所得到的襟翼表面压力分布规律,提出了合成力矩控制方法用以改进襟翼流动控制效果,并结合已有的线性力矩控制方法,验证了上述2种方法在不同流动分离过程中提升襟翼作用效果的有效性。结果表明:2种改进方法均能够有效提升襟翼的流动控制效果,其中合成力矩方法整体表现较好,且能够避免自由运动襟翼在流动分离较小时的过度抬起;此外,自适应襟翼在大攻角时还通过延后分离涡的生成与脱落,减弱了分离涡的影响,从而使升阻力系数波动幅度降低。
【文章来源】：中国电机工程学报. 2020,40(14)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
原始翼型上仰过程中不同网格对应的升力系数变化t/s02413
第14期郝文星等：自适应襟翼流动控制改进方法的提出与验证4539发现，某些鸟类在应对阵风或准备着陆时，其翅膀上表面的羽毛处于向上抬起的状态。进一步研究发现，此时上表面羽毛受流动分离区域回流影响而抬起，并阻止了分离流体向前缘方向的发展，从而减缓流动分离[9]。自适应襟翼常被简化为结构简单的刚性平板，铰接于叶片表面，由流体作用力矩驱动，无需控制系统与能量输入，还可在小攻角附着流时保持叶片原有外形[10]。图1鸟类翅膀上羽毛受流动分离抬起Fig.1Upliftofthefeathersonbird"swingbyflowseparation1996年，Patone等[11]率先开展了自适应襟翼应用于叶片流动分离控制的研究，结果表明：大攻角流动分离时，襟翼自适应抬起并阻止分离回流，从而减缓流动分离并提高升力。2002年，Bramesfeld等[12]开展了自适应襟翼控制效果与控制机理的实验研究，并获得了自适应襟翼使翼型升力系数提升20%的效果；通过对翼型表面的压力监测，发现压力在襟翼铰点处出现断层，上游压力减小，下游压力增大。接着，Meyer等[13]采用数值模拟与实验相结合的方法较为全面地研究了自适应襟翼的流动控制效果，并指出襟翼处于气动平衡状态时，即仅受空气流动作用的自由运动襟翼最终稳定状态，控制效果并未达到最佳，但未给出相应解释。2010年，Schlüter[14]分析了襟翼在SD8020、NACA4412与NACA0012共3种不同失速特性翼型上的流动控制特点，结果表明，对于较薄的NACA0012翼型，自适应襟翼使得流动分离更为平缓，且研究范围内升力系数随攻角增大无明显下降。此外，Wang等[15]与Arivoli等[16]还开展了自适应襟翼在不同展弦比叶片上的研究，结果表明，?
。对于翼型主体上仰过程，翼型由初始角度12°匀速上仰至20°。为尽量减小动态失速效应，以减小影响襟翼控制效果的不确定因素，文献[21]要求攻角变化速率小于5.6°/s，本文攻角变化速率设置为2°/s。对于竖直方向来流速度增大的流动分离过程，首先设定翼型静止于水平来流攻角12°位置，且保证速度u不变，速度v由0m/s历时4s匀速增大至与攻角20°对应的2.46m/s，攻角近似由12°匀速增大至20°。wu(a)来流不变，翼型主体上仰wvu(b)来流变化，翼型主体静止图42种翼型流动分离模型Fig.4Twomodelsofairfoilflowseparation1.3流场计算方法由于流场为低速流场(不考虑流体压缩性)且不涉及传热，能量方程无需求解。因此对流体的计算主要基于纳维-斯托克斯(Navier-Stokes，N-S)流体控制方程，即连续性方程与动量方程。流场中湍流的处理是精确捕捉流动分离的关键。由于湍流较难直接求解，为体现其对流动的宏观影响，现阶段较为常用的简化方法是时间平均法与空间平均法。雷诺时均法(Reynolds-AveragedNavier-Stokesequations，RANS)将湍流脉动进行统计平均处理，并把湍流中的瞬时量分解为平均量与脉动量，相当于在N-S方程增加了脉动速度相关项()ijjuux，该项将基于涡粘性假设，采用湍流模型求解。空间平均法以大涡模拟(largeeddysimulation，LES)方法为代表，采用亚格子模型求解小尺度的
【参考文献】：
期刊论文
[1]自适应襟翼流动分离控制数值研究[J]. 郝文星,李春,丁勤卫,陈福东,朱海天. 中国电机工程学报. 2019(02)
[2]随机风况下襟翼闭环载荷控制的数值研究[J]. 郝文星,李春,丁勤卫,叶舟. 工程热物理学报. 2017(06)
[3]低雷诺数自由翼斜出口合成射流分离流流动控制[J]. 孙圣舒,顾蕴松,陈勇亮,赵雄. 空气动力学学报. 2017(02)
[4]考虑转捩的风力机涡流发生器数值模拟[J]. 李涛,赵振宙,陈景茹,魏媛,许波峰,刘玄,陈潘浩. 机械工程学报. 2017(04)
[5]等离子体流动控制研究进展与展望[J]. 吴云,李应红. 航空学报. 2015(02)
[6]增升装置中的流动控制技术[J]. 周涛,李亚林,陈迎春. 上海交通大学学报. 2014(02)
[7]采用动网格技术的合成射流控制叶栅流动分离数值研究[J]. 陈建辉,谢永慧,申仲旸,张荻. 中国电机工程学报. 2013(23)
[8]基于RANS-LES混合方法的翼型大迎角非定常分离流动研究[J]. 刘周,杨云军,周伟江,龚安龙. 航空学报. 2014(02)
本文编号：3144825
【文章来源】：中国电机工程学报. 2020,40(14)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
原始翼型上仰过程中不同网格对应的升力系数变化t/s02413
第14期郝文星等：自适应襟翼流动控制改进方法的提出与验证4539发现，某些鸟类在应对阵风或准备着陆时，其翅膀上表面的羽毛处于向上抬起的状态。进一步研究发现，此时上表面羽毛受流动分离区域回流影响而抬起，并阻止了分离流体向前缘方向的发展，从而减缓流动分离[9]。自适应襟翼常被简化为结构简单的刚性平板，铰接于叶片表面，由流体作用力矩驱动，无需控制系统与能量输入，还可在小攻角附着流时保持叶片原有外形[10]。图1鸟类翅膀上羽毛受流动分离抬起Fig.1Upliftofthefeathersonbird"swingbyflowseparation1996年，Patone等[11]率先开展了自适应襟翼应用于叶片流动分离控制的研究，结果表明：大攻角流动分离时，襟翼自适应抬起并阻止分离回流，从而减缓流动分离并提高升力。2002年，Bramesfeld等[12]开展了自适应襟翼控制效果与控制机理的实验研究，并获得了自适应襟翼使翼型升力系数提升20%的效果；通过对翼型表面的压力监测，发现压力在襟翼铰点处出现断层，上游压力减小，下游压力增大。接着，Meyer等[13]采用数值模拟与实验相结合的方法较为全面地研究了自适应襟翼的流动控制效果，并指出襟翼处于气动平衡状态时，即仅受空气流动作用的自由运动襟翼最终稳定状态，控制效果并未达到最佳，但未给出相应解释。2010年，Schlüter[14]分析了襟翼在SD8020、NACA4412与NACA0012共3种不同失速特性翼型上的流动控制特点，结果表明，对于较薄的NACA0012翼型，自适应襟翼使得流动分离更为平缓，且研究范围内升力系数随攻角增大无明显下降。此外，Wang等[15]与Arivoli等[16]还开展了自适应襟翼在不同展弦比叶片上的研究，结果表明，?
。对于翼型主体上仰过程，翼型由初始角度12°匀速上仰至20°。为尽量减小动态失速效应，以减小影响襟翼控制效果的不确定因素，文献[21]要求攻角变化速率小于5.6°/s，本文攻角变化速率设置为2°/s。对于竖直方向来流速度增大的流动分离过程，首先设定翼型静止于水平来流攻角12°位置，且保证速度u不变，速度v由0m/s历时4s匀速增大至与攻角20°对应的2.46m/s，攻角近似由12°匀速增大至20°。wu(a)来流不变，翼型主体上仰wvu(b)来流变化，翼型主体静止图42种翼型流动分离模型Fig.4Twomodelsofairfoilflowseparation1.3流场计算方法由于流场为低速流场(不考虑流体压缩性)且不涉及传热，能量方程无需求解。因此对流体的计算主要基于纳维-斯托克斯(Navier-Stokes，N-S)流体控制方程，即连续性方程与动量方程。流场中湍流的处理是精确捕捉流动分离的关键。由于湍流较难直接求解，为体现其对流动的宏观影响，现阶段较为常用的简化方法是时间平均法与空间平均法。雷诺时均法(Reynolds-AveragedNavier-Stokesequations，RANS)将湍流脉动进行统计平均处理，并把湍流中的瞬时量分解为平均量与脉动量，相当于在N-S方程增加了脉动速度相关项()ijjuux，该项将基于涡粘性假设，采用湍流模型求解。空间平均法以大涡模拟(largeeddysimulation，LES)方法为代表，采用亚格子模型求解小尺度的
【参考文献】：
期刊论文
[1]自适应襟翼流动分离控制数值研究[J]. 郝文星,李春,丁勤卫,陈福东,朱海天. 中国电机工程学报. 2019(02)
[2]随机风况下襟翼闭环载荷控制的数值研究[J]. 郝文星,李春,丁勤卫,叶舟. 工程热物理学报. 2017(06)
[3]低雷诺数自由翼斜出口合成射流分离流流动控制[J]. 孙圣舒,顾蕴松,陈勇亮,赵雄. 空气动力学学报. 2017(02)
[4]考虑转捩的风力机涡流发生器数值模拟[J]. 李涛,赵振宙,陈景茹,魏媛,许波峰,刘玄,陈潘浩. 机械工程学报. 2017(04)
[5]等离子体流动控制研究进展与展望[J]. 吴云,李应红. 航空学报. 2015(02)
[6]增升装置中的流动控制技术[J]. 周涛,李亚林,陈迎春. 上海交通大学学报. 2014(02)
[7]采用动网格技术的合成射流控制叶栅流动分离数值研究[J]. 陈建辉,谢永慧,申仲旸,张荻. 中国电机工程学报. 2013(23)
[8]基于RANS-LES混合方法的翼型大迎角非定常分离流动研究[J]. 刘周,杨云军,周伟江,龚安龙. 航空学报. 2014(02)
本文编号：3144825
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