CN114228980A - 一种基于颤振小翼的非定常流动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于颤振小翼的非定常流动控制方法，属于流体机械技术领域。本发明在被控气动部件产生流动分离的分离点附近设置颤振小翼，所述颤振小翼流向位于分离点前、后5%L范围内，L为被控气动部件的特征长度，所述颤振小翼展向与分离点的距离为分离区高度h的5%～50%之间。本发明不需要外接气源或电源等能量源，也无需复杂气路或电路系统，仅依靠自身结构就能从主流中提取能量发生颤振，从而产生用于抑制流动分离的非定常激励，提高被控气动部件的压比、效率、总压恢复、稳定裕度等性能指标，具有结构简单、无需外部能量源、工程实用性强等优势。

Description

一种基于颤振小翼的非定常流动控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于颤振小翼的非定常流动控制方法，属于流体机械技术领域。

背景技术

由于航空燃气涡轮发动机追求高推重比、低耗油率，其各个气动部件都处于较高的气动负荷水平。在高气动负荷水平下，处于逆压力状态的各个气动部件，如压气机、扩压器、进气道、S弯转接段极易发生流动分离现象，致使该部件的压比、效率、总压恢复系数、稳定裕度等性能指标急剧下降，进而使发动机性能难以进一步提高。

因此，针对逆压气动部件的流动分离现象，各类能抑制甚至消除流动分离的流动控制技术得到了国内外研究人员的重视，这其中又以非定常流动控制技术最具代表性。由于能利用流动不稳定性，非定常流动控制技术产生的激励能与分离流中的拟序结构发生相干作用。非定常流动控制技术耗费能量极低，相关研究表明，达到相同的流动控制效果，采用非定常流动控制技术能比相应的定常流动控制技术节约1～2个数量级的所耗费的能量，即有“四两拨千斤”的效果。

综合国内外在该非定常流动控制领域的已有工作，相关技术主要有3大类：(1)声波类，主要是采用一定频率的声波对流场进行激励；(2)射流类，包括“零质量”注入流场的合成射流，“正质量”注入流场的脉冲射流和“负质量”注入的脉冲吸气；(3)壁面运动类，包括和壁面垂直方向运动的振动壁面，与和壁面平行方向运动的行波壁面。

这些技术都从各方层面推动了流动控制技术的进步，但是，这些技术在实际工程应用角度存在显著的不足点，主要体现为绝大部分非定常流动控制技术属于主动流动控制，需要外界提供能源以产生激励的能量(气源或电源)，或为产生非定常性的机械、电气装置供能(多数为电源)，这样大大增加了系统的重量、复杂度，降低了可靠性和工程实用性。

发明内容

本发明的目的是抑制处于逆压力状态气动部件中的流动分离，以提高气动部件的压比、效率、总压恢复和/或稳定裕度，提出了一种基于颤振小翼的非定常流动控制方法，在无需引入外部能量的前提下，即能产生非定常激励，以抑制气动部件中的流动分离。

为实现上述目的，本发明提供一种基于颤振小翼的非定常流动控制方法，在被控气动部件产生流动分离的分离点附近设置颤振小翼，所述颤振小翼流向位于分离点前、后5％L范围内，L为被控气动部件的特征长度，所述颤振小翼展向与分离点的距离为分离区高度h的5％～50％之间。颤振小翼在主流的作用下发生具有轻微幅度及一定频率的颤振，这种周期性的自激振动能够与特定频率的脱落涡产生作用，促进主流与分离流间的动量交换，从而抑制流动分离，提高被控气动部件的气动性能。

一种基于颤振小翼的非定常流动控制方法的工作原理为：本发明的原理是基于一种流固耦合现象——颤振，即一种由弹性结构动力系统与非定常气动力耦合引发的气动弹性动不稳定性(参见杨超.飞行器气动弹性原理(第二版).北京航空航天大学出版社,2016)。具有两个自由度以上的动力系统(如机翼，至少具有俯仰和沉浮这两个自由度)，考虑其具有一定的质量分布、阻尼与刚度，这种系统处在流体中会受到一定的气动力作用，在流体流速大于一定值时，该动力系统会产生一定频率的自激振动，这种结构失去稳定性而发生的振动现象即为颤振。由上述的分析可知，颤振通常被认为是一种不好的现象，其导致结构振动，使得结构可能发生疲劳失效或产生其他不利影响，因而通常被认为是一种需要加以避免或抑制的现象。本发明则反其道而行之，利用颤振现象是结构与流体作用自发产生振动这一性质，将其用于非定常流动控制中，即把颤振作为产生非定常激励的源头，从而实现无需从外部提取能量以产生非定常激励，大大降低了非定常流动控制装置的复杂性。具体在本发明中，颤振小翼布置于被控气动部件分离点附近，颤振小翼具有至少俯仰和沉浮两个自由度，通过调节颤振小翼的质量分布、阻尼系数、刚度系数，可以使颤振小翼的颤振临界风速、颤振频率分别与被控气动部件进口流速、分离涡脱落频率近似相等。这样的布置及参数选取是基于以下已知的结论：非定常激励通常位于分离点附近时流动控制效果最好；流体流速小于颤振临界风速时，不发生颤振；流体流速大于颤振临界风速时，发生较大幅度颤振；流体流速等于颤振临界风速时，发生较小幅的颤振；通常激励频率约等于分离涡脱落频率时，流动控制效果最佳。因此，颤振小翼基于上述的布置方式及参数选择，可以在被控气动部件分离点附近产生与分离涡频率相近的小幅振动，形成非定常激励，从而能够抑制流动分离，提高被控气动部件的性能。

本发明的创新之处在于，针对非定常流动控制的非定常激励通常需要外部能量的问题，采用了巧妙的方式进行解决。本发明引入了颤振小翼，颤振小翼与被控气动部件的流动产生流固耦合，形成具有一定频率的小幅振动，形成非定常激励以抑制流动分离。该非定常激励的能量来自流场本身，从而无需从外部引入能量，因而无需外部能源及相关附属系统，具有结构简单、可靠性高的优点。

优选地，所述颤振小翼的弦长c在被控气动部件特征长度L的1～20％之间，以产生足够强度的非定常激励，且降低对主流的不利影响。

优选地，所述颤振小翼的颤振临界风速V_f约等于被控气动部件的进口速度V₀，即有关系V_f/V₀＝0.95～1.05，通过改变所述颤振小翼的质量分布、阻尼特性及刚度特性实现。

优选地，所述颤振小翼的颤振频率F_f约等于脱落涡主频F₀，即有关系F_f/F₀＝0.95～1.05。

优选地，所述颤振小翼采用耐疲劳的材料制作，并基于无限寿命设计理论，使所述颤振小翼的工作应力小于该材料的疲劳极限，从而保证颤振小翼可以长时间地颤振且不发生结构的疲劳破坏。

优选地，所述颤振小翼采用热可塑、环氧、碳纤维或玻璃纤维复合材料制备。

本发明所达到的有益效果：本发明基于颤振原理，使颤振小翼与被控气动部件产生流固耦合作用进而引发颤振，从而在分离点附近生成非定常激励，与非定常分离涡结构作用，产生显著的对流动分离的抑制作用。由于本发明不需要外部能量，因而省去了复杂的附件系统，因此结构上较为简单、制造和维护成本低、工程实用性强。

附图说明

图1是一种基于颤振小翼的非定常流动控制方法示意图。

图中主要附图标记的含义为：

1.被控气动部件，2.颤振小翼，3.分离区(虚线包围部分)，4.分离点，5.入口气流，6.出口气流，7.俯仰颤振方向，8.沉浮颤振方向，9.非定常脱落涡。c.颤振小翼弦长，h.定常分离区高度，L.被控气动部件特征长度，V₀.被控气动部件入口流速，F₀.非定常脱落涡主频，F_f.颤振频率。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种基于颤振小翼的非定常流动控制方法，在被控气动部件1产生流动分离3的分离点4附近设置颤振小翼2。所述被控气动部件1入口气流为5，出口气流为6，被控气动部件1的特征尺度为L(进气道、扩压器通常以进口高度/宽度作为特征尺度L；压气机通常以叶片弦长作为特征尺度L)，进口流速为V₀，被控气动部件1在设计状态会产生较大尺度的流动分离3，流动分离的分离点为4，定常分离区高度为h，非定常分离涡的脱落频率为F₀。颤振小翼2置于分离点4附近，其弦长为c，颤振小翼2具有两个以上的振动自由度，典型的振动自由度包括俯仰方向7和沉浮方向8。通过对颤振小翼2的质量分布、刚度系数、阻尼系数进行有限次优化，可以使颤振小翼2在被控气动部件1来流速度V₀的作用下，产生具有轻微幅度及一定频率F_f的颤振，即颤振小翼2在俯仰方向7和沉浮方向8上都以F_f的频率发生振动，这种周期性的自激振动能够与脱落涡9产生相干作用，促进主流与分离流间的动量交换，从而抑制定常的流动分离3，提高被控气动部件1的气动性能。

所述颤振小翼2的弦长c应在被控气动部件1特征长度L的1％～20％之间，以产生足够强度的非定常激励，且降低对主流的不利影响。

所述颤振小翼2处于分离点4附近，即流向位于分离点4前、后5％L范围内，展向距分离点在5％～50％h范围内。

所述颤振小翼2的质量分布、阻尼特性及刚度特性，使得其颤振临界风速V_f约等于被控气动部件1的进口流速V₀，即有关系V_f/V₀＝0.95～1.05；其颤振频率F_f约等于流动分离3的涡脱落频率F₀，即有关系F_f/F₀＝0.95～1.05。

所述颤振小翼2采用耐疲劳的材料制作，并基于无限寿命设计理论，即颤振小翼2的工作应力小于该材料的疲劳极限，从而保证颤振小翼2能够长时间地颤振且不发生结构的疲劳破坏。所述颤振小翼采用热可塑、环氧、碳纤维或玻璃纤维复合材料制备。

实施例1

在上述实施步骤不变的前提下，颤振小翼2的质量分布、阻尼系数、刚度系数的优选可以通过理论分析、数值模拟、实验的方式，并通过有限次试算或试验实现。

以理论分析为例，颤振小翼2可以简化为一个N维动力学系统(N大于等于2)，其运动方程为：

其中：q为颤振小翼2不同自由度上的广义坐标组成的列向量；M为颤振小翼2的质量矩阵；C为颤振小翼2的阻尼系数矩阵；K为颤振小翼2的刚度矩阵；F为颤振小翼2所受非定常气动力；V₀为被控气动部件1的进口流速。通过对该方程进行求解，并在微分方程层面对M、C、K进行优化，可以使得颤振的临界风速V_f≈V₀(临界状态即系统处于振幅随时间不变的临界稳定状态，对应于微分方程的特征值为纯虚数)，此时的颤振频率F_f≈F₀。此时，振动幅值保持稳定，且振动频率F_f与分离流脱落涡频率接近，按照非定常流动控制的相关研究，该参数条件下能获得较好的流动控制效果。

例如：考虑一个形状类似于图1的二维弯曲扩压通道，其参数满足下表1。

表1

	参数	数值
			扩压通道	进口宽度	1.4m
	出口宽度	2.2m
				长度	16m
	流道转角	100°
			颤振小翼	弦长	0.2m
	质量	2.9kg
				质心与刚心距离	0.01m
	绕质心的转动惯量	0.024kg·m<sup>2</sup>
				沉浮刚度系数	2372N/m
	俯仰刚度系数	35.5N·m/rad
				沉浮阻尼系数	3.3kg/s
	俯仰阻尼系数	0.04N·m·s

当其进口流速V₀＝20.7m/s时，其脱落涡频率F₀＝5.6Hz；设计一个具有表1所列参数的颤振小翼2，可计算得到其颤振临界风速V_f＝20.7m/s，频率F_f＝5.6Hz。因此，此时颤振小翼的颤振临界风速与该二维扩压通道的进口流速相等，而颤振频率与脱落涡主频相等，若将该颤振小翼置于该扩压通道流动分离的分离点附近，有望获得较好的控制效果。

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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于颤振小翼的非定常流动控制方法，其特征在于，在被控气动部件（1）产生流动分离（3）的分离点（4）附近设置颤振小翼（2），所述颤振小翼（2）流向位于分离点（4）前、后5%L范围内，L为被控气动部件（1）的特征长度，所述颤振小翼（2）展向与分离点的距离为分离区高度h的5%～50%之间。

2.根据权利要求1所述的一种基于颤振小翼的非定常流动控制方法，其特征在于，所述颤振小翼（2）的弦长c在被控气动部件（1）特征长度L的1～20%之间。

3.根据权利要求1所述的一种基于颤振小翼的非定常流动控制方法，其特征在于，所述颤振小翼（2）的颤振临界风速V_f约等于被控气动部件（1）的进口速度V₀，即有关系V_f/V₀=0.95～1.05。

4.根据权利要求1所述的一种基于颤振小翼的非定常流动控制方法，其特征在于，所述颤振小翼（2）的颤振频率F_f约等于脱落涡（9）主频F₀，即有关系F_f/F₀=0.95～1.05。

5.根据权利要求1所述的一种基于颤振小翼的非定常流动控制方法，其特征在于，所述颤振小翼（2）采用耐疲劳的材料制作，所述颤振小翼（2）的工作应力小于该材料的疲劳极限。

6.根据权利要求5所述的一种基于颤振小翼的非定常流动控制方法，其特征在于，所述颤振小翼（2）采用热可塑、环氧、碳纤维或玻璃纤维复合材料制备。

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