CN116968916A - 一种合成射流控制多段翼增升装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种合成射流控制多段翼增升装置，涉及流动控制技术领域，包括多段翼机翼和合成射流机构，多段翼机翼中部设有安装槽，且安装槽靠近多段翼机翼的后缘设置，合成射流机构安装于安装槽内，合成射流机构的射流方向沿多段翼机翼的侧壁切向，合成射流机构采用交变电源驱动。该合成射流控制多段翼增升装置能够提高机翼在全攻角范围内的气动性能。

Description

一种合成射流控制多段翼增升装置

技术领域

本发明涉及流动控制技术领域，具体是涉及一种合成射流控制多段翼增升装置。

背景技术

在航空飞行器的设计和发展中，流动控制技术不依靠复杂的气动外形设计，通过施加外部扰动以获得所需流动状态，能够达到增升减阻、降噪减震、矢量推力等目的。根据有无能量输入，流动控制可分为被动控制和主动控制。其中，作为目前航空领域前沿技术之一的主动控制技术通过向流场注入能量的方式，可适用于多种流动现象。合成射流激励器是应用最广泛的主动流动控制技术之一，其通过周期性吹吸气诱导产生旋涡结构对外部流场施加控制，在控制机翼分离流动领域具有较好的效果。

在现今民机领域，多段翼是主要采用的机翼配置，其结合了前缘缝翼、后缘襟翼等传统增升装置，但缺乏主动流动控制技术提供更高效的增升方法。通常后缘襟翼或副翼等部件的工作攻角较大，在机翼尾缘处存在严重的流动分离和失速现象，造成机翼升力不足和阻力增加，极大影响了多段机翼的增升效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种合成射流控制多段翼增升装置，以解决上述现有技术存在的问题，提高机翼在全攻角范围内的气动性能。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种合成射流控制多段翼增升装置，包括多段翼机翼和合成射流机构，所述多段翼机翼中部设有安装槽，且所述安装槽靠近所述多段翼机翼的后缘设置，所述合成射流机构安装于所述安装槽内，所述合成射流机构的射流方向沿所述多段翼机翼的侧壁切向，所述合成射流机构采用交变电源驱动。

优选的，所述多段翼机翼包括主翼、前缘缝翼、后缘襟翼和下盖板，所述安装槽开设于所述主翼中部的下端面，所述下盖板通过螺栓连接于所述安装槽内，并将所述合成射流机构封装于所述安装槽内，所述前缘缝翼和所述后缘襟翼分别安装于所述主翼的前缘和后缘。

优选的，所述主翼和所述后缘襟翼的连接处为圆弧状，且所述合成射流机构的射流出口位于所述主翼和所述后缘襟翼的连接处。

优选的，所述合成射流机构包括合成射流驱动器和多个合成射流激励器，所述合成射流驱动器用于驱动各所述合成射流激励器工作，所述合成射流驱动器包括信号发生器和电压放大器，所述合成射流激励器内设有压电陶瓷片。

优选的，所述合成射流激励器包括圆形空腔、出口管道、所述压电陶瓷片和中层板，所述圆形空腔开设于所述安装槽的内底面，所述出口管道的一端与所述圆形空腔连通，另一端延伸至所述多段翼机翼后缘，所述圆形空腔的侧壁上设有环形台阶，所述压电陶瓷片位于所述环形台阶上，所述中层板上对应所述环形台阶的位置设有环形凸起，所述环形凸起内形成一与所述圆形空腔连通的圆形通孔，所述环形凸起嵌入所述环形台阶内并压住所述压电陶瓷片，所述主翼、所述中层板和所述下盖板均连接在一起。

优选的，所述下盖板上端设有嵌入槽，所述中层板位于所述嵌入槽内，所述嵌入槽的一侧设有导线槽，所述导线槽一端连通外界，所述导线槽另一端连通所述嵌入槽。

优选的，所述安装槽内、所述中层板上和所述下盖板上均对应开设有多个螺纹孔，通过螺栓穿过位于不同层的所述螺纹孔连接所述安装槽、所述中层板和所述下盖板。

优选的，所述出口管道为矩形管道。

优选的，所述合成射流激励器包括上层板、下层板和所述压电陶瓷片，所述上层板上开设有圆形腔，所述下层板上设有圆形凹槽，所述圆形凹槽的侧壁上设有一圈台阶面，所述压电陶瓷片位于所述台阶面上，所述上层板上对应所述台阶面的位置设有台阶凸起，所述台阶凸起能够将所述压电陶瓷片压在所述台阶面上，所述圆形凹槽的一侧设有连通出口，所述多段翼机翼上设有连通所述连通出口的管道，所述上层板和所述下层板之间通过螺栓连接。

优选的，所述压电陶瓷片的一侧还设有O型圈。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提供的合成射流控制多段翼增升装置，多段翼机翼中部设有安装槽，且安装槽靠近多段翼机翼的后缘设置，合成射流机构安装于安装槽内，合成射流机构的射流方向沿多段翼机翼的侧壁切向，合成射流机构采用交变电源驱动，进而使得合成射流机构在出口位置周期性地产生吹吸气流，沿壁面切向的射流流向回流区，为剪切层注入动量，从而提高边界层抵抗逆压梯度诱发流动分离的能力，推迟流动分离，有效减小回流区尺寸，进而提高多段翼的气动特性。此外，在不同攻角和不同襟翼偏转角下，开启合成射流机构均能够实现不同程度的增升效果，提高多段翼的气动性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的合成射流控制多段翼增升装置的结构示意图；

图2为合成射流激励器的内部结构示意图；

图3为本发明中合成射流控制多段翼增升装置的升力系数示意图；

图4为本发明中合成射流旋涡结构示意图；

图5为本发明中合成射流与来流作用的涡结构示意图；

图6为本发明中多段翼合成射流控制前时均流线图；

图7为本发明中多段翼合成射流控制后时均流线图；

图8为本发明中合成射流控制多段翼增升装置的布置方案示意图；

图9为本发明中模块化的合成射流控制多段翼增升装置的结构示意图；

图10为图9中合成射流激励器的结构示意图；

图11为图10的A-A处剖视图；

图中：1-主翼，2-前缘缝翼，3-下盖板，4-后缘襟翼，5-合成射流激励器，6-圆形空腔，7-螺纹孔，8-压电陶瓷片，9-O型圈，10-中层板，11-导线槽，12-出口管道，13-上层板，14-下层板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种合成射流控制多段翼增升装置，以解决现有机翼在全攻角范围内的气动性能差的技术问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-图11所示，本实施例提供一种合成射流控制多段翼增升装置，包括多段翼机翼和合成射流机构，多段翼机翼中部设有安装槽，且安装槽靠近多段翼机翼的后缘设置，合成射流机构安装于安装槽内，合成射流机构的射流方向沿多段翼机翼的侧壁切向，合成射流机构采用交变电源驱动，进而使得合成射流机构在出口位置周期性地产生吹吸气流，沿壁面切向的射流流向回流区，为剪切层注入动量，从而提高边界层抵抗逆压梯度诱发流动分离的能力，推迟流动分离，有效减小回流区尺寸，进而提高多段翼的气动特性。此外，在不同攻角和不同襟翼偏转角下，开启合成射流机构均能够实现不同程度的增升效果，控制缝翼或襟翼处的流动分离改善流动状态，为机翼提供更高的升力，提高多段翼的气动性能。

具体地，多段翼机翼包括主翼1、前缘缝翼2、后缘襟翼4和下盖板3，安装槽开设于主翼1中部的下端面，下盖板3通过螺栓连接于安装槽内，并将合成射流机构封装于安装槽内，前缘缝翼2和后缘襟翼4分别安装于主翼1的前缘和后缘。

主翼1和后缘襟翼4的连接处为圆弧状，且合成射流机构的射流出口位于主翼1和后缘襟翼4的连接处。

合成射流机构包括合成射流驱动器和多个合成射流激励器5，合成射流驱动器用于驱动各合成射流激励器5工作，合成射流驱动器包括信号发生器和电压放大器，信号发生器产生具有一定波形和频率的电信号，电压放大器放大电信号的幅值，合成射流激励器5内设有压电陶瓷片8。

合成射流激励器5包括圆形空腔6、出口管道12、压电陶瓷片8和中层板10，圆形空腔6开设于安装槽的内底面，出口管道12的一端与圆形空腔6连通，另一端延伸至多段翼机翼后缘，圆形空腔6的侧壁上设有环形台阶，压电陶瓷片8位于环形台阶上，中层板10上对应环形台阶的位置设有环形凸起，环形凸起内形成一与圆形空腔6连通的圆形通孔，环形凸起嵌入环形台阶内并压住压电陶瓷片8，环形凸起直径略小于圆形空腔6内径，以便于中层板10和主翼1配合紧密，主翼1、中层板10和下盖板3均连接在一起，作为一优选方案，各合成射流激励器5对应一块中层板10，中层板10上对应各合成射流激励器5的位置均设有圆形通孔。压电陶瓷片8的一侧还设有O型圈9，通过中层板10和O型圈9将压电陶瓷片8紧贴在圆形空腔6一侧，形成一个开缝的腔体，即合成射流腔体，在交变电压激励下，压电陶瓷片8对腔体内气体往复压缩扩张，在出口管道12处形成合成射流。

下盖板3上端设有嵌入槽，中层板10位于嵌入槽内，嵌入槽的一侧设有导线槽11，导线槽11一端连通外界，导线槽11另一端连通嵌入槽。

安装槽内、中层板10上和下盖板3上均对应开设有多个螺纹孔7，通过螺栓穿过位于不同层的螺纹孔7连接安装槽、中层板10和下盖板3，以保证原有的气动外形。圆形空腔6、出口管道12和螺纹孔7均在主翼1内部加工成型，并沿机翼展向均匀排布。

出口管道12为矩形管道。压电陶瓷片8的一侧还设有O型圈9。

本实施例中，合成射流控制多段翼增升原理如下：

在合成射流激励器5吹气过程中，逐渐形成涡环/对，并在自身诱导速度下向下游运动；吸气过程中，将出口管道12附近的低速流体吸入空腔内，由于涡环已经发展到下游并不会被吸入，进而产生一系列涡环/对，卷吸起大量周围流质，增强射流与周围流场的掺混，从而提高边界层抵抗逆压梯度能力，延缓流动分离，提高多段翼气动性能。

本实施例所涉及到的主要结构尺寸与实验条件有关，可根据不同的风洞实验段大小进行设计。当前主要结构的设计尺寸如下：

多段翼机翼：后缘襟翼4偏转角50°、展长400mm、弦长200mm。

合成射流激励器5：圆形腔体直径48mm，圆形腔体高度2.5mm，出口管道12尺寸1mm×20mm，射流出口位置在距前缘86％倍弦长处。

压电陶瓷片8直径50mm，O型圈9线径1.5mm。

在应用过程中，使用合成射流激励器5可以增加多段翼机翼的升力系数，从而提高多段翼的升力。

图3为本实施例提供的合成射流控制多段翼增升装置的升力系数示意图。其中，横坐标表示攻角α，纵坐标表示升力系数C_L。在本次应用中，合成射流激励器5的激励信号形为正弦波，激励频率为1kHz，电压峰峰值为300V。由图3可以看出，相比于无合成射流控制下的情况(白色空心线)，合成射流激励器5控制后，在0°～38°攻角范围内，多段翼的升力系数均有不同程度的提升。在22°攻角前，升力系数向上平移，表明多段翼机翼整体升力得到了提升；并且失速攻角由22°推迟到24°，最大升力系数提升了11.2％；在失速攻角后，控制后的升力曲线仍高于无控制工况，增升效果依然十分明显。值得注意的是，本次实施例中襟翼偏转角为50°，在机翼攻角30°～40°时，后缘襟翼4的局部攻角已经处在80°～90°的极限状态下，此时后缘处的流动分离程度极大，合成射流对其的控制难度也极大。尽管如此，在主翼1的30°～40°攻角范围内，升力系数仍有小幅的提升，表明本实施中的合成射流控制多段翼增升装置应对大攻角和大襟翼偏转角也有不错的控制效果。因此，在本实施例中，通过开启在多段翼机翼后缘处的合成射流机构，多段翼机翼本体在全攻角范围内的升力系数都得到了提高，尤其提高了多段翼在大攻角和大襟翼偏转角的气动性能。

图4为在静止环境中合成射流旋涡结构示意图，可以看出，在出口处形成一个反向旋转的流向涡对，它能够有效增强射流与周围流体的掺混。

图5为合成射流与来流作用下的涡结构示意图，在出口处观察到一对合成射流涡的形成，并诱导来流向下偏转。上侧的旋涡向下游发展，变形拉长并逐渐消耗殆尽，增强了射流与来流的掺混效果，为边界层注入了动量；下侧的旋涡沿壁面拉伸，直接将高动量的射流注入低动量的回流区内，随后与尾迹涡交替向下游发展。

图6和图7分别为合成射流控制前后翼型绕流的时均流线示意图，可以看出，无控制下后缘的分离区尺寸很大，并存在一个高强度的涡对。当开启合成射流，分离区尺寸明显减小。合成射流加速了出口上游的流动，将上方来流向下诱导；同时，合成射流诱导的旋涡结构贴近壁面，将下方尾迹涡向上诱导。因此，合成射流能够扰乱剪切层，向分离区注入动量，能有效抑制分离区尺寸，并提高翼型的升力系数。

图8为本实施例提供的合成射流控制多段翼增升装置的布置方案示意图，可将合成射流激励器5布置在前缘缝翼2处，或应用于开缝襟翼前后，以抑制分离流动，诱导缝翼或襟翼后的附着流动。

为使合成射流激励器5便于安装和拆卸，将合成射流激励器5模块化，其控制飞机的结构如图9所示，合成射流激励器5包括上层板13、下层板14和压电陶瓷片8，上层板13上开设有圆形腔，下层板14上设有圆形凹槽，圆形凹槽的侧壁上设有一圈台阶面，压电陶瓷片8位于台阶面上，上层板13上对应台阶面的位置设有台阶凸起，台阶凸起能够将压电陶瓷片8压在台阶面上，圆形凹槽的一侧设有连通出口，多段翼机翼上设有连通连通出口的管道，上层板13和下层板14之间通过螺栓连接，进而将压电陶瓷片8四周密封。压电陶瓷片8的一侧还设有O型圈9。其中，以直径为50mm的陶瓷片为例，合成射流激励器5厚度仅为10mm，宽度为70mm，相邻间距为55mm，总长度随阵列个数而定。合成射流激励器5在机身中的体积占比并不大，可安装在主翼1或襟翼内部，出口位置可选择距离前缘15～18％和85～88％倍弦长处。

图10和图11为模块化的合成射流激励器5，下层板14上的圆形凹槽和压电陶瓷片8组成工作腔体，压电陶瓷片8的震动形变引起工作腔体内气体的压力变化，在连通出口处产生合成射流。通过机身中的管道引导射流流向机身壁面，产生的合成射流涡与来流相互作用，能够延缓机身表面的流动分离，并增加升力。合成射流激励器5的模块化使得压电陶瓷片8和工作腔体都能够独立更换，如仅通过更换下层板14调整腔体参数，这大大降低了加工、修改、拆卸机翼的成本。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种合成射流控制多段翼增升装置，其特征在于：包括多段翼机翼和合成射流机构，所述多段翼机翼中部设有安装槽，且所述安装槽靠近所述多段翼机翼的后缘设置，所述合成射流机构安装于所述安装槽内，所述合成射流机构的射流方向沿所述多段翼机翼的侧壁切向，所述合成射流机构采用交变电源驱动。

2.根据权利要求1所述的合成射流控制多段翼增升装置，其特征在于：所述多段翼机翼包括主翼、前缘缝翼、后缘襟翼和下盖板，所述安装槽开设于所述主翼中部的下端面，所述下盖板通过螺栓连接于所述安装槽内，并将所述合成射流机构封装于所述安装槽内，所述前缘缝翼和所述后缘襟翼分别安装于所述主翼的前缘和后缘。

3.根据权利要求2所述的合成射流控制多段翼增升装置，其特征在于：所述主翼和所述后缘襟翼的连接处为圆弧状，且所述合成射流机构的射流出口位于所述主翼和所述后缘襟翼的连接处。

4.根据权利要求2所述的合成射流控制多段翼增升装置，其特征在于：所述合成射流机构包括合成射流驱动器和多个合成射流激励器，所述合成射流驱动器用于驱动各所述合成射流激励器工作，所述合成射流驱动器包括信号发生器和电压放大器，所述合成射流激励器内设有压电陶瓷片。

5.根据权利要求4所述的合成射流控制多段翼增升装置，其特征在于：所述合成射流激励器包括圆形空腔、出口管道、所述压电陶瓷片和中层板，所述圆形空腔开设于所述安装槽的内底面，所述出口管道的一端与所述圆形空腔连通，另一端延伸至所述多段翼机翼后缘，所述圆形空腔的侧壁上设有环形台阶，所述压电陶瓷片位于所述环形台阶上，所述中层板上对应所述环形台阶的位置设有环形凸起，所述环形凸起内形成一与所述圆形空腔连通的圆形通孔，所述环形凸起嵌入所述环形台阶内并压住所述压电陶瓷片，所述主翼、所述中层板和所述下盖板均连接在一起。

6.根据权利要求5所述的合成射流控制多段翼增升装置，其特征在于：所述下盖板上端设有嵌入槽，所述中层板位于所述嵌入槽内，所述嵌入槽的一侧设有导线槽，所述导线槽一端连通外界，所述导线槽另一端连通所述嵌入槽。

7.根据权利要求5所述的合成射流控制多段翼增升装置，其特征在于：所述安装槽内、所述中层板上和所述下盖板上均对应开设有多个螺纹孔，通过螺栓穿过位于不同层的所述螺纹孔连接所述安装槽、所述中层板和所述下盖板。

8.根据权利要求5所述的合成射流控制多段翼增升装置，其特征在于：所述出口管道为矩形管道。

9.根据权利要求4所述的合成射流控制多段翼增升装置，其特征在于：所述合成射流激励器包括上层板、下层板和所述压电陶瓷片，所述上层板上开设有圆形腔，所述下层板上设有圆形凹槽，所述圆形凹槽的侧壁上设有一圈台阶面，所述压电陶瓷片位于所述台阶面上，所述上层板上对应所述台阶面的位置设有台阶凸起，所述台阶凸起能够将所述压电陶瓷片压在所述台阶面上，所述圆形凹槽的一侧设有连通出口，所述多段翼机翼上设有连通所述连通出口的管道，所述上层板和所述下层板之间通过螺栓连接。

10.根据权利要求5或9所述的合成射流控制多段翼增升装置，其特征在于：所述压电陶瓷片的一侧还设有O型圈。