CN109665093A - 一种可延缓流动分离的翼型及置于翼型上的激励器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可延缓流动分离的翼型及置于翼型上的激励器，采用同时在前缘喷气和后缘吸气的主动流动控制方式，达到增加升力、减小阻力、改善失速特性目的，对推进系统造成的动力损失很小。管道和激励器埋在结构内部，喷气和吸气不需要额外的气源，避免了复杂的通气管路设计，结构简单，可靠性高，易于实施，对气动结构破坏极小，使用范围广。气流循环利用的机制能够减小能源消耗。等离子体激励器具有尺寸小、重量低、反应迅速、频带响应宽等优点，能在短时间内生成一个比较好的气流回路，且可以根据飞行器的实际情况通过改变缝道的宽度以及激励器的电学参数来生成相应的吹吸气回路以有效改善飞行器的空气动力学特性。

Description

一种可延缓流动分离的翼型及置于翼型上的激励器

技术领域

本发明属于流动控制领域，特别涉及一种可延缓流动分离的翼型及置于翼型上的激励器。

背景技术

机翼作为飞行器的核心部件，其气动特性一直是飞机设计人员关注的焦点。机翼最大升力系数的高低、失速特性的好坏直接影响着飞行器的起降距离、爬升率、滑行率以及航高上限等。

1904年，普朗特采用吸气的方式成功抑制了圆柱绕流的流动分离。自此，流动控制技术的发展经历了上百年的历史。流动控制技术是指通过对运动流体施加质量、热量、电磁等物理量来改变流动状态，从而改变运动物体的受力状态或运动状态。流动控制技术可以通过改变机翼表面的流动情况来增加升力，减小阻力，改善失速特性，延缓气流分离等。流动控制技术是流体力学中的一个重要的研究内容，涉及的范围十分广泛。尽管历史悠久，但流动控制技术仍是一项常做常新的课题。根据有无主动向边界层注入能量的划分标准，流动控制技术分为被动控制技术技及主动控制技术。被动控制技术只能在预先设定的飞行状态下表现出良好的控制效果，而主动控制技术则能在多个飞行状态下都有良好的控制效果。

等离子体流动控制是基于“等离子体气动激励”的新概念主动流动控制技术，可以利用微量的、局部的气流扰动来控制全局的流动，是现有存在的主动流动控制技术。其中正弦交流阻挡介质放电是比较常见一种产生等离子体的方式。正弦交流阻挡介质放电等离子体激励器(以下简称激励器)是利用正弦交流阻挡介质放电的方式来产生等离子体的一种装置。它是由上层电极、下层电极、介质层以及电源系统组成，下层电极安放在物体表面，下层电极的上方是绝缘的阻挡介质层，绝缘介质层将整个下层电极覆盖住，阻挡介质层的上方是上层电极，上层电极的上表面暴露在空气中，三者紧密接触，无间隙。激励器能通过交流放电激励，对电极周围空气进行电离，在绝缘的介质层的上方产生等离子体，同时激励器的电场诱导带电粒子运动并撞击中性粒子进而诱导出一道近壁面射流，射流速度可达数米每秒，方向是由上层电极指向下层电极。然而，等离子体流动控制技术也有其缺点，就是其诱导的风速比较低，相应的，能控制的风速也比较低，在已有的实验中，最高可以控制的流速才60m/s。

协同射流技术是现有存在的新型流动控制技术，它是在翼型吸力面的前、后缘分别布置一个吹气槽和吸气槽，一小股空气从后缘吸气槽吸入，通过布置在翼型内部的压缩机系统加压，然后从前缘吹气槽以平行于主流方向喷出。上述工作过程并没有向系统增加任何质量，是一种零质量的主动流动控制技术。该技术特点是实现了很低能耗条件下的升力特性大幅提升、阻力减小以及失速迎角的显著推迟，与其它流动控制技术相比，目前是唯一能在小攻角附着流巡航状态下大幅提高气动效率和升力系数的流动控制方式。但是，协同射流技术也有其缺点，就是在翼型中间要开辟缝道安放一个气泵，气泵的体积不能太小，这样就导致缝道的宽度很大，从而占用了机翼太多的空间，减少了承力结构的安放，这样就会造成机翼的结构强度减小。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有的技术存在的缺陷，本发明提出一种可延缓流动分离的翼型及置于翼型上的激励器，用于控制翼型表面的流动，从而可以增大翼型升力，减小阻力，提升失速性能，能有效提升飞行器的飞行性能。

本发明的技术方案是：一种可延缓流动分离的翼型，在翼型上表面上开有环形槽，且环形槽的两个端口不重合，靠近前缘的端口为喷气口，靠近后缘的端口为吸气口。缝道的宽度在50％到80％弦长之间，缝道的厚度在2-10mm,前缘喷气口在离前缘5％-15％弦长处，吸气口在离前缘60％-90％弦长处。

本发明的进一步技术方案是：一种置于可延缓流动分离的翼型的激励器，包括电源、绝缘介质、下层电极和上层电极；上层电极和下层电极分别铺设于绝缘介质两侧，上层电极暴露于空气中，与电源高压端连接，下层电极包裹于绝缘介质层中，铺设于物体表面。

本发明的进一步技术方案是：所述绝缘介质采用聚铣亚胺绝缘胶带材料制成,上下电极由紫铜片制成。

发明效果

本发明的技术效果在于：将流动分离点的位置推迟到90％弦长处，可以将失速迎角提高3-5°，升力能增加1-10％，阻力能减小10％-50％。

1.管道和激励器埋在结构内部，结构简单，可靠性高，易于实施，对气动结构破坏极小，使用范围广。

2.循环利用自由来流，不需要额外的气源，节省了空间，降低了电量消耗。

3.等离子体激励器具有尺寸小、重量低、反应迅速、频带响应宽等优点，能在短时间内生成一个比较好的气流回路。

4.可以根据飞行器的实际情况通过改变缝道的宽度以及激励器的电学参数来生成相应的吹吸气回路以有效改善飞行器的空气动力学特性。

附图说明

图1激励器示意图

图2装有一个激励器的翼型鸟瞰图

图3装有激励器的翼型剖面示意图

图4未施加控制时流动示意图

图5施加控制时流动示意图

附图标记说明：1—翼型；2—前缘喷气口；3—后缘吸气口；4—缝道；5—激励器；6—激励电源；7—绝缘介质；8—下层电缆；9—上层电缆；10—等离子体；

具体实施方式

参见图1—图5，本发明提出一种一种可延缓流动分离的翼型及置于翼型上的激励器，在翼型上表面前缘设置喷气口，在翼型上表面后缘设置吸气口；所述喷气口和所述吸气口通过设置于所述翼型内部的气流缝道连通构成吹吸气回路，该通道的宽度可以在2至10mm内调节，具体可根据激励器的电学参数调节(电压、频率、占空比)电压越高，宽度越宽；频率越高，宽度越宽，占空比越高，宽度越宽；在翼型上表面喷气口至吸气口之间以及缝道里布置若干个等离子体激励器以产生气流循环回路，同时可以根据不同的自由来流速度来调整激励器的几何参数(数量和位置)和电学参数(电压、频率、占空比)，以达到最佳的控制效果，速度越高，需要开启的激励器数量越多，电压、频率以及占空比也就越高。

工作时，气流沿喷气口从翼型前缘喷气口喷出，为表面的自由来流注入动量，增加了来流的速度，由于自由来流与喷气口喷出的气流掺混，增加了附面层的动量，克服了逆压梯度，从而能使流动能附着在翼型表面，能有效减小分离区，以达到增升减阻，延缓分离的目的。主流中一部分气流在背风面的吸气口被吸入到管道中，这时激励器在开启状态，激励器对电极周围的气流进行电离，在绝缘的介质层的上方产生等离子体，其中包含带负电的电子以及其他带正电的粒子和未被电离的中性分子，总体上保持电中性，同时在激励器的高压电场下带电的粒子运动并撞击中性粒子进而将管道中的气流进行加速，经多个激励器注入能量加速，气流从喷气口喷出，既而形成循环回路。这样就不用从外界引入新的气源，从而减少了能量的消耗，也避免需要安装引入气体的装置，节省了空间。

首先根据图1，介绍激励器的详细结构，由图1可知，激励器由上层电极、下层电极、绝缘介质层和激励电源组成。上层电极和下层电极分别敷设于介质层两侧，上层电极暴露于空气中，与电源高压端连接，下层电极敷设于物体表面，包裹于绝缘介质层中，接地。电极材料为紫铜片。激励电源高压端与上层电极连接，低压端与下层电极连接，同时接地。工作时，激励器产生大量等离子体，形成射流，诱导速度为2-6m/s，方向由上层电极指向下层电极。同时，可利用信号控制器控制电源的输出电压、频率和占空比等电学参数，随着电学参数的改变，产生的诱导速度也不一样，电压越高，诱导速度越高，频率越高，诱导速度越高，占空比越高，诱导速度越高。例如，上下层电极都为2mm宽，长100mm，采用紫铜片，厚度为0.03mm，绝缘介质层采用3层的聚酰亚胺胶带，每层0.05mm厚，电源电压为9.8KV时，单个激励器产生的诱导速度可达3m/s。

图2为装有一个激励器的翼型鸟瞰图。其中，1是敷设在翼型上表面的一个激励器，L1是整个缝道的宽度，范围为在50％到80％弦长，L2是缝道的厚度，在2至10mm，可根据实际情况调节。

图3为装有激励器的翼型剖面示意图。1为整个翼型，2为前缘喷气口，3为后缘吸气口，4为缝道，5为安装在翼型上表面喷气口至吸气口之间以及缝道里的若干个激励器。前缘喷气口在离前缘5％-15％弦长处，吸气口在离前缘60％-90％弦长处。激励器为矩形，每一个沿展向敷设在翼型上表面喷气口至吸气口之间以及缝道里，长度由70％展长至100％展长，宽度可根据实际情况决定，厚度在0.5mm以内。前缘喷气口和后缘吸气口的开口方向应尽量贴近翼型表面，以保证从喷气口喷出的气流能沿上表面流动。激励器的个数越多越好，但两个相邻激励器之间的距离最少为20mm。

图4为未施加控制时速度示意图，如图所示，气流沿翼型表面流动到翼型弦长50％左右时，发生流动分离。

图5为激励器工作时的速度示意图，喷气口沿翼型上表面喷出高速射流，所喷出的高速射流为翼型上表面流体注入能量，主流被射流引射加速，进而加速上表面流体的流动，推迟分离，与图4相比，可看到分离点明显后移，从而增加了升力。主流中一部分气流在背风面的吸气口被吸入到管道中，这时激励器在开启状态，激励器对电极周围的气流进行电离，在绝缘的介质层的上方产生等离子体，其中包含带负电的电子以及其他带正电的粒子和未被电离的中性分子，总体上保持电中性，同时在激励器的高压电场下带电的粒子运动并撞击中性粒子进而将管道中的气流进行加速，经多个激励器注入能量加速，气流从喷气口喷出，既而形成循环回路。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种可延缓流动分离的翼型，其特征在于，在翼型上表面上开有环形槽，且环形槽的两个端口不重合，靠近前缘的端口为喷气口，靠近后缘的端口为吸气口。缝道的宽度在50％到80％弦长之间，缝道的厚度在2-10mm,前缘喷气口在离前缘5％-15％弦长处，吸气口在离前缘60％-90％弦长处。

2.一种置于如权利要求1所述可延缓流动分离的翼型的激励器，其特征在于，包括电源(6)、绝缘介质(7)、下层电极(8)和上层电极(9)；上层电极(7)和下层电极(8)分别铺设于绝缘介质(7)两侧，上层电极(7)暴露于空气中，与电源(6)高压端连接，下层电极(8)包裹于绝缘介质层中，铺设于物体表面。

3.如权利要求2所述的一种置于可延缓流动分离的翼型的激励器，其特征在于，所述绝缘介质(7)采用聚铣亚胺绝缘胶带材料制成,上下电极由紫铜片制成。