【摘 要】
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边界层抽吸(Boundary Layer Ingestion,BLI)作为一种高效的流动控制手段,飞机发动机耦合布局下利用涵道风扇抽吸机翼上翼面边界层增加绕流环量维持未分离的层流边界层、抑制已分离的边界层分离程度可提高飞机的气动特性。针对常规机翼在增升特性及流场控制上的不足,本文在西华大学低湍流度风洞中开展了涵道风扇-机翼耦合匹配的实验研究,对比研究了有、无边界层抽吸效应时,涵道风扇推力结果和机翼
【基金项目】
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气动热力国防科技重点实验室开放基金项目“分布式推进系统的BLI涵道风扇设计方法和风洞实验研究”; 四川省教育厅重点项目“翼型非定常流动分离动力学模态分析及控制研究”;
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边界层抽吸(Boundary Layer Ingestion,BLI)作为一种高效的流动控制手段,飞机发动机耦合布局下利用涵道风扇抽吸机翼上翼面边界层增加绕流环量维持未分离的层流边界层、抑制已分离的边界层分离程度可提高飞机的气动特性。针对常规机翼在增升特性及流场控制上的不足,本文在西华大学低湍流度风洞中开展了涵道风扇-机翼耦合匹配的实验研究,对比研究了有、无边界层抽吸效应时,涵道风扇推力结果和机翼升力系数结果,验证了涵道风扇的BLI效应对于机翼升力的改善效果,并结合流场控制效果分析其气动增升的流动机理。首先开展了有、无机翼耦合的涵道风扇推力测试实验,探究了机翼与涵道风扇耦合条件下BLI效应对涵道风扇推力特性影响。气动力结果表明:机翼与涵道风扇耦合在BLI效应下,5°来流迎角范围内,涵道风扇推力无明显变化,但是当达到10°来流迎角后,由于发生了一定的流动分离,上翼面不均匀气体流入涵道风扇,造成涵道风扇进气畸变加强,恶化了涵道风扇性能,进而推力损耗变大。固定机翼迎角,随着来流速度的增大,相比较孤立涵道风扇在同一来流速度下的推力大小,机翼与涵道风扇耦合在BLI效应下推力损耗有所下降,并且机翼与涵道风扇唇口流向耦合距离为0mm布局对涵道风扇的恶化性能稍低于机翼与涵道风扇唇口流向耦合距离为20mm布局。在来流速度20m/s、来流迎角15°时,相较于孤立涵道风扇而言,飞-发耦合布局下涵道风扇推力最大下降了13.15%。随后进行了有、无涵道风扇耦合的机翼表面压力测量,对比单机翼表面压力分布情况和机翼随迎角变化的升力特性曲线结果,获得了机翼与涵道风扇耦合条件下BLI效应对机翼气动特性的影响。压力分布曲线显示BLI效应增加了机翼上下翼面压力差,转化成升力特性曲线结果清晰表明:BLI效应能够大幅度提高机翼的气动性能,延迟失速迎角范围,意味着飞行器的飞行包线有了大幅度的提升。在来流速度为20m/s、机翼迎角为15°、风扇转速为7250rpm时,升力系数最大提升了228.4%,是带给涵道推力损耗的17.4倍,说明收益远大于损耗。并且随着涵道风扇转速的提高,机翼升力系数增加越明显,随着机翼迎角的增大,升力改善性能越高,但是随着来流速度的增大,BLI效应对机翼升力改善有所减弱,同时机翼与涵道风扇唇口流向耦合距离为20mm布局对机翼气动性能的提升效果强于机翼与涵道风扇唇口流向耦合距离为0mm布局。最后采用粒子图像测速(PIV)技术,开展有、无BLI效应的流场测试实验,分析BLI效应改善机翼气动性能的控制机理。流动显示结果表明:BLI效应显著增加了机翼上翼面绕流速度,在小迎角下增加机翼环量,升力增大;大迎角下抑制流动分离,升力增大;涵道风扇转速越大,流动分离区越小,但是随着来流速度增大,流动分离区逐渐变大。并且机翼与涵道风扇唇口流向耦合距离为20mm布局上翼面绕流速度大于机翼与涵道风扇唇口流向耦合距离为0mm布局,同时流动分离区更小,这些流动显示结果与机翼升力特性曲线结果相互应证,从流动机理上验证了BLI效应对机翼气动性能的改善。
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