【摘 要】
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目前各国都在开展高性能直升机的研发,而旋翼的动态失速现象极大地制约了直升机飞行性能的提升,动态失速的根本原因是旋翼发生了流动分离,如何高效的控制旋翼流动分离成为研究的关键,也是旋翼空气动力学研究的热点和前沿方向。等离子体流动控制技术作为一种新兴的主动流动控制技术,可有效进行流动分离控制,具有无运动部件、响应时间短、激励频带宽等优良特性,将其应用于直升机旋翼流动分离控制极具潜力,旋翼的改动小、改造费
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目前各国都在开展高性能直升机的研发,而旋翼的动态失速现象极大地制约了直升机飞行性能的提升,动态失速的根本原因是旋翼发生了流动分离,如何高效的控制旋翼流动分离成为研究的关键,也是旋翼空气动力学研究的热点和前沿方向。等离子体流动控制技术作为一种新兴的主动流动控制技术,可有效进行流动分离控制,具有无运动部件、响应时间短、激励频带宽等优良特性,将其应用于直升机旋翼流动分离控制极具潜力,旋翼的改动小、改造费用低,对提升直升机的飞行性能具有重要的工程应用价值。为探索等离子体流动控制技术在旋翼上的应用,本文针对旋翼及翼型的等离子体流动分离控制进行了相关研究。对两种类型等离子体激励器的启动涡及诱导涡演化过程进行了分析;采用低能耗交流电源实现了马赫数Ma=0.5时旋翼翼型的等离子体流动分离控制;研制了用于旋翼旋转的等离子体流动控制和测量实验装置,实现了旋翼旋转流动分离的有效控制;设计了一套模拟控制流动分离的等效装置,证明了等离子体激励对激励区流动分离的控制效果要优于对激励区下游流动分离的控制效果。本文的研究内容具体包括以下几个方面:1.采用高速纹影法,研究了两种类型等离子体激励器“定常激励”启动涡和“非定常激励”诱导涡的演化过程,揭示了等离子体激励器激励诱导空气运动随时间的变化规律,探索了电源的占空比和脉冲频率对诱导涡的影响,对理解和研究等离子体流动控制机理具有指导作用。2.开展了不同旋翼翼型的流动分离特征高速风洞实验研究,获得了OA309翼型和NACA0012翼型在不同Ma数下的气动性能及分离特性,为实现高速等离子体流动控制奠定了基础。国内外率先采用低能耗交流电源实现了马赫数Ma=0.5时OA309旋翼翼型的流动分离控制,发展了钢制翼型绝缘、风洞密封走线和电磁屏蔽等实验技术,为交流电源用于高速流动等离子体流动控制提供了一种技术手段。3.研制了旋翼旋转的等离子体流动控制和测量实验装置,解决了PIV对旋翼流动数据的同步采集和等离子体激励器高压电加载的问题,实现了旋翼在等离子体强电磁环境下,高速旋转流动图像的实时获取,发展了旋翼等离子体流动控制实验技术,为后续研究建立了平台基础。4.基于自主研制的旋翼旋转等离子体流动控制和测量实验装置,探索了转速对旋翼流动分离的影响,获取了等离子体激励器激励前后的旋翼流场特性,实现了不同转速时旋翼流动分离的有效控制。在来流8m/s、旋翼迎角18°和转速600r/min时,流动分离被完全抑制,该实验为等离子体流动控制技术应用于旋翼流动分离控制提供了参考。5.设计了一套模拟控制流动分离的等效装置,分别模拟了等离子体激励对激励区流动分离以及激励区下游流动分离的控制作用,证明了等离子体激励对控制激励区和激励区下游流动分离均有效,而对激励区流动分离控制效果更优的结论。该研究对等离子体激励器的布置具有一定的参考价值。
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