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层流减阻与翼型谱系及流动机理
林晔  审核人:   (点击: )

1、意义

层流减阻可减少阻力15%以上,是国际研究热点;

美国等国均有自己的翼型谱系,我国长期依赖国外公开翼型,成为制约自主创新的“瓶颈”;基于新的流动机理,国际翼型系列不断发展中;

基于智能蒙皮等流动控制可望将飞行器的升阻比提高20%以上,将会改变当前飞行器的设计理念,是国际研究热点;

基于MEMS,可望使风洞试验等测量能力全面提升,是国际研究热点。

2、对未来飞行器的提升作用

对大型飞机C919机翼进行层流化设计,可以提高升阻比10%以上,直接降低油耗15%以上,降低结构重量10吨以上。对于超声速客机进行层流化设计,可以将目前飞机升阻比8.5左右提升到10以上。层流技术亦可应用于超声速甚至高超声速飞机;

建立我国自己的翼型谱系,可以彻底摆脱长期依赖国外翼型的局面,使未来飞行器自主研究研制能力提升一大步;

用于临近空间飞行器、高超声速空天飞机等新兴飞行器的湍流分析,解决现有方法中考虑强激波、气动热、多尺度、大气性质剧烈变化、马赫数雷诺数大范围变化等复杂因素的影响;

高空高马赫数流动机理的突破,可设计新的飞行器布局,发明更实用的高超声速飞行器;

流动控制技术可用于未来战斗机动态失速控制、大迎角侧向力抑制和控制、超短距起降、隐身等的设计;在高超声速飞行器设计中,流动控制技术在燃料空气混合、热流控制、减阻等方面有潜在应用前景;

MEMS技术在风洞实验测量、未来飞行器的先进气动设计方面具有非常广泛的应用,同时为主动流动控制技术提供了崭新的使能手段。

3、国内外研究发展现状与趋势

国内外目前在该研究方向重点研究的内容包括:层流减阻与翼型系列、高空高马赫流动机理、湍流与转捩流动机理、新概念流动控制、流动测控MEMS和灵巧蒙皮。

层流减阻是未来飞行器提高飞行效率的最有效手段之一,被认为是有可能成为继后掠翼和超临界机翼技术后的影响飞行器性能的第三大空气动力学技术。层流减阻可将飞机表面层流面积从目前5%提高到50%欧洲在第6框架计划下的“TELFONA(2005-2009)”项目和第7框架计划下的“JTI-洁净的天空(2007-2013)”研究计划中,均重点发展新型飞行器层流减阻原理和技术。

 

层流超临界机翼与传统机翼对比

翼型谱系是所有飞行器气动设计的基础。1903年,人类首次动力飞行的成功实现,与Wright兄弟利用风洞研究翼型直接相关;100多年来,翼型的研究和发展对新的飞行器的研制起到了重要的作用。美国、俄罗斯、法国、德国等航空大国均有自己的翼型谱系;我国飞机研制长期跟踪国外,很大程度依赖国外公开翼型,尚未形成自己的完整的翼型谱系,成为制约未来飞行器自主创新的“瓶颈”。针对新的飞行器设计的需求,运用新的空气动力学原理,国际上翼型谱系研究掀起一轮新的热潮。

未来作战飞行器将以更高的马赫数飞行从而实现“快速打击”。美国的“全球快速打击计划”及我国的XX科技工程计划中,高空高马赫数流动机理是其中必须突破的“瓶颈”之一。目前国内外主要研究领域包括:“乘波体”流动机理、高超声速飞行器激波/附面层干扰、附面层转捩、复杂气动热、机体/发动机/进气道复杂干扰流动机理等。

湍流被学术界称为牛顿经典力学体系里的最后一个重大难题。湍流建模与转捩判断及其数值模拟问题已经成为航空、航天事业发展中的一个严重制约因素。随着RANS/LES混合方法的提出和发展,欧盟和美国相继投入巨额资金对此类方法进行理论和应用研究。NASA与斯坦福大学联合成立“湍流研究中心”,其基本研究任务就是开发湍流建模与数值模拟方法,受到美国政府累计达数亿美元的研究资助。波音公司已经开始利用DES方法推进新型飞机的辅助设计。我国北京大学发挥自身在湍流基础研究中的优势,提出了约束大涡模拟的方法(CLES),利用CLES方法对商用飞机全机流场进行数值模拟,在气动力预测和湍流结构的捕捉方面都有明显的进步。

针对未来飞行器的增升减阻目标,流动控制技术的使用受到越来越高的重视。2005年,美国国家航空航天局(NASA)凝炼了21世纪可能提升未来飞行器性能的十大革命性设计理念,其中与流动控制直接相关的就多达三项,包括机翼层流控制、上壁面吹气、涡襟翼。此外英国宇航局、日本宇航局、欧盟相关政府机构以及波音、空客、洛克希德-马丁、罗-罗等知名航空企业近年来也投入巨资研究流动控制,该方向研究已经成为航空领域和流体力学界的研究热点。

传统主动流动控制系统往往需要作动器、控制系统、连接线路、动力源等多个部件组成,存在结构复杂、体积大、重量代价高以及能耗高等缺点。微机电系统(MEMS)技术的迅速发展为主动流动控制技术提供了崭新的使能手段。20世纪90年代MEMS技术的兴起,使得流动控制致动器技术取得了突破性的发展,出现了等离子体控制、合成射流、微气泡、压电襟翼、电磁湍流控制等先进主动流动控制技术。基于MEMS技术的测量元器件和流动控制器件在风洞实验测量、飞行器的先进气动设计(智能蒙皮)方面具有非常广泛的应用,使风洞实验测量技术、流动控制技术、甚至是气动设计理念产生跨越式的发展。

 

MEMS测量传感器

 

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