环量控制技术用于飞行器上可以显著提高升力,改善飞行性能。为了研究环量控制对超临界翼型气动特性的影响规律,特别是大迎角下的气动特性,采用雷诺平均N-S方程的数值模拟方法进行了数值计算和分析。分别模拟了动量系数、迎角、射流比例对于升阻特性的影响规律。结果表明,大迎角下环量控制射流对翼型升力的提升极其有限,高动量系数会导致翼型失速迎角提前,分析了射流和迎角与前缘流场的相互关系,总结了失速迎角提前的作用机理;通过调节双射流比例,能够在大迎角下进一步改善升阻特性。

环量控制作为一种高效的主动流动控制技术,在飞行器的气动改善、姿态控制方面具有巨大潜力。本文设计一套可以实现向下吹气的环量控制装置,并将其应用于飞行器进行气动控制。首先,通过数值模拟选取环量控制参数,同时分析环量控制翼型的气动特性。通过风洞实验,对同尺寸常规舵面模型和带有环量控制装置的模型进行气动力和气动力矩研究;采用粒子图像测速(PIV)技术,对环量控制模型开展流场研究,分析该装置产生气动控制效果的流动机理。测力实验表明吹气系数Cμ=0.04时,环量控制机翼升力最大增加32.4%,滚转力矩最大增加60.3%。PIV测流场实验表明,较高速度的射流使机翼后缘的气流发生了偏转,增加了环量,改变了机翼受力。引入"有效升阻比"的概念,分析环量控制机翼的吹气效率,结果表明,当吹气系数Cμ=0.02时,有效升阻比最大,环量控制机翼的吹气效率

提出了一种采用环量控制的新型扑翼获能技术,首先对这种扑翼在不同折合频率下的获能效率进行了数值模拟,并与传统扑翼和表面施加协同射流控制扑翼的获能效率进行了对比,发现不同工况下对翼型尾缘部施加持续射流均能有效改善翼型的气动性能,使扑翼的能量转换效率显著提高,且提升幅度优于协同射流控制方法,表明该方法具有一定的开发应用潜力。此外,针对连续射流能耗较高的缺点进一步改进了射流施加策略,建立了四种不同射流喷射控制模式,对比研究了连续式、方波式、正弦式和三角波式射流模式下扣除射流能耗后采用环量控制扑翼的获能净效率,旨在以获取最高能量转换效率为目标的前提下尽可能降低射流所需能耗。不同射流模式下的能耗分析表明,连续式环量控制模式下所需能耗最高,方波式、正弦式和三角波式的能耗依次次之,因此扣除主动

本文提出改善翼型气动特性的方法,本文采用了环量控制翼型增升技术,运用数值模拟手段分析了一种后缘为圆弧状的环量控制机翼,研究了在翼型后缘尺寸不同的条件下三维机翼气动特性的变化。对其不同攻角下机翼的气动力特性、漩涡结构等进行了研究。通过对数值仿真结果进行分析,对比升力、阻力、升阻比和压力。速度云图结果表明随着翼型后缘圆弧尺寸改变,整体三维机翼的气动效率发生变化。后缘尺寸偏小、圆弧趋于完整的圆机翼的气动效率越好。

定常射流在大迎角下气动性能较差,借助脉冲射流能够有效改善大迎角下的气动性能,并减少射流所需质量流量。采用非定常数值模拟的方法进行了脉冲射流作用下的环量控制翼型气动特性计算和流场分析。总结了占空比和频率分别对时均升力和升力脉动幅值的影响趋势;分析了不同迎角下的脉冲射流流动机理;进一步指出了射流动量系数的影响规律,并借助脉冲射流和定常射流的叠加效应有效缓解了升力脉动现象。结果表明低占空比、同等升力系数下,脉冲射流可大幅度减小质量流量,但升力脉动幅值较大;小迎角下随频率增大,升力系数先增大后减小,但整体变化幅度不大,大迎角下随频率增大,升力系数持续性增大;脉冲射流能够推迟失速迎角,扩宽环量控制技术的可用迎角,并且随动量系数增大,这种优势更加明显;借助脉冲射流与定常射流的叠加效应,能够有效缓

为了探究环量控制技术在飞行控制性能方面的优势,在定常流场中对定常射流环量控制翼型的控制力矩作用机理展开了研究,采用数值仿真的方法,对比分析了单射流、双射流产生的虚拟舵面与传统舵面作用下的气动力系数的变化规律,并基于无舵面飞行器CCSCAOON对其气动力矩的控制特性进行了验证。验证结果表明单射流作用下的虚拟舵面能够提供用于飞行器所需的滚转和俯仰力矩,且作用机理相似,控制性能优于传统舵面;无论是单射流还是双射流,在大迎角下虚拟舵面的气动控制特性较差,限制了环量控制的使用迎角;双射流较单射流而言,升阻比特性和控制力矩特性较好;双射流下的虚拟舵面通过调节下射流口动量系数,能够有效降低偏航力矩与滚转、俯仰力矩之间的耦合效应。

脉冲吹气消耗的气源少,控制效果更好,在无操纵面飞行器上有使用价值。本文对带有吹气装置的机翼模型进行了风洞测力试验,开展了脉冲吹气的增升、滚转控制效果研究,以及吹气脉冲频率、占空比等参数对翼型升力、滚转力矩的影响规律研究。结果表明,环量控制机翼在脉冲吹气情况下能够产生和定常吹气相当的增升效果,在占空比为0.8时,不同频率下脉冲吹气产生的升力系数和定常吹气时基本一致。同时,脉冲吹气能够产生飞行所需的滚转力矩,在占空比为0.8时,环量控制装置产生的滚转力矩最大。

在机翼后缘应用环量控制技术可以改变机翼的气动力,为了研究环量控制技术在虚拟舵面飞行器上的控制效果,分别对不同舵偏角的机械舵面模型和不同射流动量系数的虚拟舵面模型进行了数值模拟。通过对比二者的升阻力系数和力矩系数曲线,发现前者在舵偏角θ=0°、10°、20°和30°时的舵效分别与后者在Cμ=0、0.005、0.009和0.012时相同,且θ与Cμ为二次多项式关系。为进一步研究环量控制系统在虚拟舵面上的气动效率和能耗,对不同喷口高度的模型进行数值模拟,发现在射流速度相同的情况下,不同喷口高度的虚拟舵面的等效升阻比相同,但是大喷口的虚拟舵面需要耗费更大的功率。