翼型绕流的电磁力控制

【摘要】： 翼型绕流的电磁力控制是通过电磁力改变翼型边界层流场结构来改善其动力特性的一种技术手段,在减少飞行体的阻力,提高升力,增强或抑制旋涡,抑制流体脱体,控制噪音等方面具有潜在的广阔应用前景,对于提升飞行器的推进效率、增加飞行范围和机动性、减少燃料消耗和提高飞行稳定性的等具有重要意义,目前已成为国际上流体动力学领域新兴的研究热点。 本文通过实验和数值模拟相结合的方法对电磁力作用下的翼型绕流进行了研究。在高稳定水槽中对翼型绕流的电磁力控制进行的实验研究,利用高锰酸钾溶液对翼型绕流的流场以及电磁力控制后的流场进行了显示,而流场的改变导致翼型升力和阻力的变化则利用应变测试系统进行测试。数值模拟采用Roger发展的双时间步推进格式,求解拟压缩修正的不可压缩N-S方程,对流项采用三阶上迎风格式离散,粘性项采用二阶中心差分离散。数值模拟的流场采用示踪粒子的方法进行处理,使得本研究的实验流场与数值模拟的流场具有可比性。为了研究流场结构与翼型升力之间的关系,本文引进边界涡通量的概念来判定流场结构的变化,推导了边界涡通量和电磁力与升力变化之间的定量关系,并用来作为根据流场结构判断升力变化的判据。利用以上的研究方法对翼型绕流的电磁力控制进行研究,得出的结论如下: 1)翼型绕流的流场是周期性变化的,升力和阻力也随之周期性变化。 2)正向电磁力作用在翼型背风面上,可以增加壁面附近的流向动量,增强流体抵抗逆压梯度的能力,其作用类似于减少翼型攻角,可抑制流动分离,并使涡街得到有效抑制,减少阻力,提高升力。而反向电磁力相当于加大翼型攻角,减少壁面附近流体的流向动量,降低流体抵抗逆压梯度的能力,在翼型背风面形成典型的大攻角尾流涡街,导致升力下降和阻力的增加,同时加剧了升力的震荡。 3)电磁板被激活时,电磁力的力场于瞬间形成,但上翼面的流动分离并未立刻被抑制,存在一个初始响应过程,表现为分离点以一定的速度,从前缘逐渐向后缘的推移,直至分离完全抑制后,后缘涡才消失。 4)正向电磁力不大时,翼型绕流前缘的流动分离不能被有效的抑制,但后缘可被抑制。随着电磁力的增大,前后缘流动的分离都会被抑制。翼型的升力随电磁力的增大而增大,阻力随电磁力的增大而减小。 5)作用在翼型背风面前部的正向电磁力能很好的控制翼型绕流的流动分离,而作用在后部的正向电磁力未能很好的控制前缘的流动分离。电磁力作用在后部对升力的提升比作用在前部好,而覆盖在前部的减阻效果比作用在后部的好。