發(fā)布時間：2020-04-02 19:03

【摘要】：減阻是飛機設(shè)計的永恒話題。對于大型客機,減小飛行阻力意味著降低運營成本和碳排放。由于飛機尾跡渦系而產(chǎn)生的渦致阻力(誘導阻力)是飛機飛行阻力的重要組成部分,占全機阻力的30%-50%。其中,翼尖渦系和后體渦系是最主要的渦系結(jié)構(gòu)。有效控制這些渦系結(jié)構(gòu)從而減小渦致阻力,是實現(xiàn)飛機減阻的重要方法之一。本文結(jié)合渦系演化與飛機減阻設(shè)計兩方面的研究成果,利用風洞實驗,研究大型客機的尾跡渦系,從渦致阻力的角度,探索通過控制渦系演化來實現(xiàn)減阻的方法,從而為大型客機的減阻設(shè)計提供依據(jù)。本文得到了以下三方面的研究成果:(1)在平直機翼上加裝翼尖小翼,利用渦的相互作用,削弱翼尖渦的強度(環(huán)量)和尺度(渦核半徑),減小了渦致阻力。小翼翼尖渦和連接拐角渦構(gòu)成了同向扭結(jié)的螺旋雙渦管結(jié)構(gòu),兩渦通過相互作用影響彼此的位置和強度;加裝小翼改變了翼尖渦的環(huán)量和渦核半徑,環(huán)量越小、渦核半徑越小時,渦致阻力越小。(2)簡單斜劈后體的平尾翼尖渦通過相互作用可顯著削弱后體脫體渦對的環(huán)量,減小渦致阻力。后體脫體渦對在后機身下表面形成、脫離、演化、消散;加裝平尾后,平尾翼尖渦對顯著加快了后體脫體渦對的消散;渦系的環(huán)量總和越小,渦致阻力越小;渦對之間距離更近時,相互作用更強,減阻效果更顯著。(3)對大型客機模型,加裝減阻裝置,通過控制渦系強度和尺度,實現(xiàn)減阻。對飛機半模型,在翼尖處加裝上翻式和分離式小翼,兩種上翻式小翼有效削弱了翼尖渦環(huán)量,實現(xiàn)了減阻;分離式小翼將翼尖渦破碎成兩個渦,但并未減小總環(huán)量和阻力。對飛機后體模型,加裝渦流發(fā)生器,其中在較靠前的位置加裝時,后體渦對環(huán)量減小,渦致阻力計算值和總阻力測量值也減小。綜上所述,對于大型客機,加裝合適的翼尖小翼、渦流發(fā)生器等裝置,利用渦之間的相互作用,可以削弱翼尖渦和后體渦的強度(環(huán)量)和尺寸(渦核半徑),從而減小渦致阻力。本文基于尾跡渦系演化機理,研究減小渦致阻力的方法,可以為大型客機的減阻設(shè)計提供參考依據(jù)。
【圖文】：

與誘導阻力相比，干擾阻力相對較小，因此，“渦致阻力”與“誘導阻力”在數(shù)量上相差不大。本文統(tǒng)一使用“渦致阻力”來描述這一阻力現(xiàn)象，后文中不再區(qū)分二者的差別，僅為從渦的角度定義阻力而使用“渦致阻力”，這也與本文通過尾跡渦演化來研究減阻方法的思路一致。簡單而言，渦強度越低，渦致阻力應該越�。坏珜τ趲в袕娏覝u旋的渦流，其致力機理遠非如此簡單。而對于飛機尾跡渦系等復雜的渦結(jié)構(gòu)，渦致阻力的產(chǎn)生機理更為復雜�；趯钊淞鳒u環(huán)的研究，Gharib 在 1998 年[11]提出了渦環(huán)生長的夾止（pinch-off）理論，即渦環(huán)不能無限生長，當渦環(huán)形成時間 L/D 達到 4 左右時（L為活塞沖程，D 為直徑），便不再從周圍流體中吸收環(huán)量，，其環(huán)量不再增加，即與周圍流體發(fā)生“夾止”現(xiàn)象，就好像剪斷了與周圍流體的聯(lián)系一樣，多余環(huán)量在尾跡中形成新的次級渦環(huán)，如圖 1 - 5 (b)。L/D 從 2 增大到 3.8 時，渦環(huán)尺寸與環(huán)量明顯增大；但從 3.8 增加到 14.5 時，渦環(huán)本身沒有明顯變化，但誘導出了次級渦結(jié)構(gòu)。

上海交通大學碩士學位論文對于方形翼尖，在上下表面均形成了渦結(jié)構(gòu)，并最終融合為一個上翻的翼尖渦[17,18]，如圖 1 - 10。因上下表面均有流向翼尖的展向流動分量，上表面流體在翼梢端面產(chǎn)生下洗（downwash）趨勢，形成下洗的正渦；下表面產(chǎn)生上翻（roll-up）趨勢，形成上翻的負渦。由于機翼上表面壓力低于下表面，翼尖處總體的橫向流動趨勢是向上翻卷，抑制了下洗渦的生長，上表面初級渦因而脫離邊界層并消散，同時誘導出上翻的次級渦（負渦），并迅速生長增大（成為上表面主渦）；下表面初級渦也逐漸生長增大，并誘導出一個較小的次級渦（正渦）。最終，上下表面主渦（兩個負渦），融合為同一個渦結(jié)構(gòu)，渦的旋轉(zhuǎn)方向符合流體的上翻趨勢。有研究發(fā)現(xiàn)，在翼尖附近的上下表面還可能出現(xiàn)三級渦甚至四級渦，這些渦結(jié)構(gòu)有可能發(fā)生二次融合[18]。流體流過方形翼尖最終也生成了一個以上翻的融合渦為主渦的渦系結(jié)構(gòu)，與圓形翼尖相似，但翼尖渦形成過程有所不同。
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：V211.4

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

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3 潘秀東;基于自由曲線建模方法的翼梢小翼優(yōu)化設(shè)計[D];上海交通大學;2011年

本文編號：2612326