基于等离子体激励器对俯仰翼型气动性能提升的实验研究

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动态失速是指分离通常出现在许多气动物体上的非定常流动现象,例如旋翼和涡轮叶片。相关工程应用包括风力发电机、直升机桨叶、微型飞行器(MAV)等。动态失速主要由前缘的动态失速涡(DSV)主导,DSV的发展将导致升力快速下降和低头力矩上升,进而导致机翼失速甚至颤振。对于风力发电机和航空器而言,它们的气动效率和飞行包线(flight envelope)一般都受到动态失速的限制,且颤振问题会威胁到飞行器的安全。在雷诺数Re为1×10~5和2×10~5下,采用锯齿形介质阻挡放电等离子体激励器(DBD-PA)对俯仰翼型上的DSV与分离流进行控制以改善俯仰翼型的空气动力学性能。就不同无量纲脉冲频率F+(=fbc/U∞,其中c和U∞分别是翼型弦长和自由来流速度)和占空比(DC)对周期平均升力系数CL,avg和气动阻尼ζd的影响进行了系统的研究;实验内容包括每个约化频率k(=πfc/U∞)下F+(0.25-10)和DC(5-100%)的37种组合,共有6个k,其范围为0.05-0.16。在等离子体控制下,与无控制情况相比,在不同的k和Re时,最大CL,avg和ζd分别增加了3.40-23.19%和15.89-67.34%。这些空气动力学性能提升与翼型吸力面上的等离子体增强失速涡(F+<2)或等离子体诱导涡(F+≥2)有关。值得一提的是,在给定k,选用最佳F+和DC产生最大CL,avg时,等离子体增强涡在翼型上向后发展运动将在下冲程期间产生低头力矩,因此ζd下降。基于对有控制和无控制情况下PIV数据的分析结果,研究了动态失速、流动分离与重新附着现象。
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