大型客机阵风载荷主动喷流控制的时滞效应研究

Drag reduction for future greener large civil transport aircraft is a pacing demand for aviation industry. Considering the continued development of aerodynamics and aerostructures, the scope for current aircraft configurations has approaching its limit for any further improvement. This project aims to investigate the potential for load control to address the further drag reduction challenge. In particular, the dynamics of wing spanwise load control using distributed instantaneous jets will be investigated using both hybrid RANS-LES numerical simulations and unsteady wind tunnel tests involving dynamic pressure tappings and PIV techniques. Typical gust loads will be applied to rigid and flexible wings at low speed and transonic cruise conditions. Instantaneous distributed jets will be activated in response to the gusts and an effective jet distribution is to be found to alleviate the gust load, so that the aircraft weight and drag can be reduced significantly.

绿色航空是人类可持续发展的必然要求。本项目针对绿色航空对未来大型客机减阻的迫切需求，研究沿机翼翼展布置喷流进行阵风载荷控制时所遇到的复杂流动现象，通过减轻飞机结构重量，探索新的有效的减阻途径。瞬时喷流是一种易于分布，不需传动装置，相对快速的展向载荷控制手段。但喷流与外流存在着强烈的相互作用，会导致机翼载荷出现显著的时滞效应。目前关于这方面的系统研究，在国内外还基本属于空白状态，严重阻碍了载荷控制技术的发展。本项目将针对大型客机在遭遇阵风载荷的极限条件下，结合高精度数值模拟(混合RANS-LES方法)和非定常风洞实验,开展的研究有：1）喷流参数对外流和气动载荷的影响；2）喷流载荷控制过程中的展向效应；3）机翼弹性变形对喷流载荷控制的影响；4）采用PIV和动态测量技术开展低速非定常风洞实验研究。通过这些研究，旨在揭示喷流、外流及机翼相互作用的流动机理，为发展有效的阵风载荷控制技术奠定理论基础。

本项目针对绿色航空对未来大型客机减阻的迫切需求，研究沿机翼翼展布置喷流进行阵风载荷控制时所遇到的复杂流动现象，以达到减轻飞机结构重量，并有效减阻的目的。结合风洞实验和数值计算方法研究了喷流参数对外流和气动载荷的影响，喷流控制过程中机翼的展向载荷变化，喷流与外部流场相互作用之后的空间流场特征和演变规律，以及启动、关闭过程中动态效应和迟滞效应。主要研究及结论包括：1）基于典型超临界翼型，研究喷流参数对载荷控制的影响，发现在翼型后缘附近向上游斜向喷流具有较好的降升效果，且喷流流量越大，效果越显著； 2）在亚音速及跨音速工况下，采用数值计算研究斜向喷流的动态启动响应，发现由于喷流诱导涡的形成和脱落，整个启动过程分为明显的时滞区，升力快速下降区以及升力震荡降低区三个阶段；3）通过低速风洞实验研究，发现喷流造成的气动力改变对机翼升力及翼根弯矩的影响与喷流速度基本呈线性关系，而喷流动态实验显示出喷流启动时存在明显的时滞效应，翼根弯矩的变化呈现三个明显的阶段；4）采用IDDES方法研究了NACA0015翼型尾缘分离的流动，分别采了商业软件（Fluent），开源软件（CFL3D）和内部代码，数值模拟结果与实验对比差别较大，表明还需要对现有基于混合RANS和LES的数值模拟方法进行进一步的研究。