【摘要】：減阻是飛機(jī)設(shè)計(jì)的永恒話(huà)題。對(duì)于大型客機(jī),減小飛行阻力意味著降低運(yùn)營(yíng)成本和碳排放。由于飛機(jī)尾跡渦系而產(chǎn)生的渦致阻力(誘導(dǎo)阻力)是飛機(jī)飛行阻力的重要組成部分,占全機(jī)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(shí)現(xiàn)飛機(jī)減阻的重要方法之一。本文結(jié)合渦系演化與飛機(jī)減阻設(shè)計(jì)兩方面的研究成果,利用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn),研究大型客機(jī)的尾跡渦系,從渦致阻力的角度,探索通過(guò)控制渦系演化來(lái)實(shí)現(xiàn)減阻的方法,從而為大型客機(jī)的減阻設(shè)計(jì)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(jī)翼上加裝翼尖小翼,利用渦的相互作用,削弱翼尖渦的強(qiáng)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(guò)相互作用影響彼此的位置和強(qiáng)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(shí),渦致阻力越小。(2)簡(jiǎn)單斜劈后體的平尾翼尖渦通過(guò)相互作用可顯著削弱后體脫體渦對(duì)的環(huán)量,減小渦致阻力。后體脫體渦對(duì)在后機(jī)身下表面形成、脫離、演化、消散;加裝平尾后,平尾翼尖渦對(duì)顯著加快了后體脫體渦對(duì)的消散;渦系的環(huán)量總和越小,渦致阻力越小;渦對(duì)之間距離更近時(shí),相互作用更強(qiáng),減阻效果更顯著。(3)對(duì)大型客機(jī)模型,加裝減阻裝置,通過(guò)控制渦系強(qiáng)度和尺度,實(shí)現(xiàn)減阻。對(duì)飛機(jī)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(shí)現(xiàn)了減阻;分離式小翼將翼尖渦破碎成兩個(gè)渦,但并未減小總環(huán)量和阻力。對(duì)飛機(jī)后體模型,加裝渦流發(fā)生器,其中在較靠前的位置加裝時(shí),后體渦對(duì)環(huán)量減小,渦致阻力計(jì)算值和總阻力測(cè)量值也減小。綜上所述,對(duì)于大型客機(jī),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(qiáng)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(jī)理,研究減小渦致阻力的方法,可以為大型客機(jī)的減阻設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。
【圖文】：

與誘導(dǎo)阻力相比，干擾阻力相對(duì)較小，因此，“渦致阻力”與“誘導(dǎo)阻力”在數(shù)量上相差不大。本文統(tǒng)一使用“渦致阻力”來(lái)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(guò)尾跡渦演化來(lái)研究減阻方法的思路一致。簡(jiǎn)單而言，渦強(qiáng)度越低，渦致阻力應(yīng)該越�。坏珜�(duì)于帶有強(qiáng)烈渦旋的渦流，其致力機(jī)理遠(yuǎn)非如此簡(jiǎn)單。而對(duì)于飛機(jī)尾跡渦系等復(fù)雜的渦結(jié)構(gòu)，渦致阻力的產(chǎn)生機(jī)理更為復(fù)雜�；趯�(duì)活塞射流渦環(huán)的研究，Gharib 在 1998 年[11]提出了渦環(huán)生長(zhǎng)的夾止（pinch-off）理論，即渦環(huán)不能無(wú)限生長(zhǎng)，當(dāng)渦環(huán)形成時(shí)間 L/D 達(dá)到 4 左右時(shí)（L為活塞沖程，D 為直徑），便不再?gòu)闹車(chē)黧w中吸收環(huán)量，，其環(huán)量不再增加，即與周?chē)黧w發(fā)生“夾止”現(xiàn)象，就好像剪斷了與周?chē)黧w的聯(lián)系一樣，多余環(huán)量在尾跡中形成新的次級(jí)渦環(huán)，如圖 1 - 5 (b)。L/D 從 2 增大到 3.8 時(shí)，渦環(huán)尺寸與環(huán)量明顯增大；但從 3.8 增加到 14.5 時(shí)，渦環(huán)本身沒(méi)有明顯變化，但誘導(dǎo)出了次級(jí)渦結(jié)構(gòu)。

上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文對(duì)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(gè)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(dòng)分量，上表面流體在翼梢端面產(chǎn)生下洗（downwash）趨勢(shì)，形成下洗的正渦；下表面產(chǎn)生上翻（roll-up）趨勢(shì)，形成上翻的負(fù)渦。由于機(jī)翼上表面壓力低于下表面，翼尖處總體的橫向流動(dòng)趨勢(shì)是向上翻卷，抑制了下洗渦的生長(zhǎng)，上表面初級(jí)渦因而脫離邊界層并消散，同時(shí)誘導(dǎo)出上翻的次級(jí)渦（負(fù)渦），并迅速生長(zhǎng)增大（成為上表面主渦）；下表面初級(jí)渦也逐漸生長(zhǎng)增大，并誘導(dǎo)出一個(gè)較小的次級(jí)渦（正渦）。最終，上下表面主渦（兩個(gè)負(fù)渦），融合為同一個(gè)渦結(jié)構(gòu)，渦的旋轉(zhuǎn)方向符合流體的上翻趨勢(shì)。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(jí)渦甚至四級(jí)渦，這些渦結(jié)構(gòu)有可能發(fā)生二次融合[18]。流體流過(guò)方形翼尖最終也生成了一個(gè)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(guò)程有所不同。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：V211.4

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2612326