主动流动控制技术研究

AERONAUTICALSCIENCE&TECHNOLOGY2010/5航空科学技术综述Overview2流动控制可以分为被动流动控制和主动流动控制(AFC)，被动流动控制技术目前已有广泛工程应用，如机翼上的翼刀、涡流发生器等。被动控制是通过被动流动控制装置来改变流动环境，这种流动控制方式是预先确定的，当流场实际情况偏离设计状态时，就无法达到最佳控制效果。主动流动控制则是在物体流场中直接施加适当的扰动模式并与流动的内在模式相耦合来实现对流动的控制。主动流动控制的优势在于它能在需要的时间和部位出现，通过局部能量输入，获得局部或全局的有效流动改变，进而使飞行器飞行性能显著改善。主动流动控制技术的主要方法.吹气和吸气早在1904年，普朗特在提出边界层理论的同时，就已进行了用抽吸的办法控制圆柱绕流流动和推迟流动分离的实验，实验结果表明流动是可以有效控制的。对吹气和吸气技术的研究主要集中在吹气或吸气开孔方式、形状、位置的研究；吹气强、弱，吹气变化方主动流动控制技术研究摘　要:主动流动控制技术是提升未来飞行器性能的重要途径之一。本文在研究主动流动控制技术发展的基础上，归纳分析了目前主动流动控制采用的主要技术方法；简述了其流动控制原理和应用研究案例；介绍了主动流动控制技术研究采用的主要测试技术。关键词：主动流动；控制技术；测量技术战培国　程娅红/中国空气动力研究与发展中心　赵昕/绵阳职业技术学院AReviewofActiveFlowControlTechnology式（恒定、周期性）的研究；吹气和吸气主动流动控制机理的研究。人们发现，通过在机翼翼梢的展向吹气，可以起到类似延长翼展、从而达到增加升力的目的。利用机翼前缘的吸气和后缘部分的吹气，对机翼表面的边界层内流动进行干预，能够有效延迟边界层内流动的分离，增大机翼表面层流区，达到增升减阻的目的。战斗机机头或导弹弹体大攻角下会产生非对称涡并产生非对称气动力，利用吹气可以改善这种情况。除此之外，直升机旋翼、发动机进气道、涡轮叶栅等也有大量利用吹气和吸气技术进行主动流动控制的研究。.2微吹气或微射流由于吹气和吸气系统在实现方面有一定的复杂性和工程实用性问题，近年来，人们对微吹气（MBT）或微射流技术研究增多，通过在适当的位置和时间，对流动的临界点位施加极小的扰动达到宏观有效控制的目的，此类技术的研究，在工程适用方面有很好的前景。微射流技术是以混沌论和非线性复杂大系统不稳定理论为基础的。研究发现，流体的流动存在一个转折点，当流体经过该点后，层流流动状态就不可避免地转换为具有随机运动特点的湍流流态。湍流运动相干结构的发现为流场的主动控制提供了新的途径。它是通过改变漩涡运动的动力学模式来控制宏观的湍流运动，即直接、主动地向受控的流体中大量注入微尺度的扰动并直接耦合进宏观大尺度的流动中，进而影响、控制宏观大尺度流动。用微吹气技术进行流动控制减少湍流阻力是20世纪90年代发明的，1998年颁布了专利。1999年美国国家航空航天局（NASA）格林研究中心在CE-22试验设备中进行了Ma＝1.9的超声速流中微吹气技术试验研究。近年来，NASA兰利研究中心利用微射流技术对新概念翼身融合布局运输机“蛇形”进气道进行主动流动控制研究，提高发动机效率(见图1)。.3零质量射流零质量射流的发展可以追溯到上个世纪对声学整流现象的研究。1994年，美国乔治亚理工学院的研究小组成功研制出一种压电式零质量射流作航空科学基金AeronauticalScienceFundAERONAUTICALSCIENCE&TECHNOLOGY2010/5航空科学技术综述Overview3动器，并成功应用于主动流动控制。已有研究表明，合成射流在分离流控制、推力矢量、前体涡控制、有效气动面控制、直升机旋翼流动控制以及无人机流动控制等方面都有巨大的应用潜力。图2是两种压电薄膜振动式作动器，振动频率可达几千赫兹，从缝中形成的气流速度可达每秒1米到每秒几十米，图中左边是其诱导的典型流场。由于这种射流无外部气源，进入流场的气流总质量为零，因而称为零质量射流或合成射流。图3是香港工业大学进行湍流边界层主动流动控制研究用的压电陶瓷作动器。压电陶瓷作动器的单个尺寸是：长22mm、宽2mm、厚0.33mm，压电陶瓷作动器粘贴在试验模型的插件上，成悬臂梁的状态。风洞试验表明，当压电陶瓷作动器以锯齿状波振荡时，湍流边界层内阻力可减小5%。.4等离子体研究等离子体主动流动控制技术，国外使用的小型等离子体发生器主要有以下几种。1)薄膜式辉光放电等离子体发生器。薄膜式辉光放电等离子体发生器可以方便地粘贴在试验模型表面，已应用于低速风洞翼型的增升减阻研究。2)小型电弧等离子体发生器。美国多年来一直在发展用于航天器太空推进和超燃点火源用的小型电弧等离子射流器。阿诺德空军基地已将其用于跨超声速风洞试验模型中。3)交流高压放电等离子体发生器。俄罗斯中央空气流体动力学研究院（TsAGI）用于风洞模型中的等离子发生器的核心部件是一个能产生高频、高压输出的变压器。等离子体由与变压器线圈相连的电极放电产生。该类型等离子发生器已用于直径40mm的跨、超声速风洞试验模型中。4)燃料型等离子体发生器。燃料型等离子体发生器采用微型固体火箭发动机的基本结构，主要由喷管、燃烧室和点火装置等组成。燃烧室内填装专门研制的特种固体燃料，燃料燃烧形成具有一定电子密度的高温高压燃气，燃气从发生器喷管喷出，形成等离子体喷流。此类等离子发生器主要应用于高超声速试验研究。.5磁流体动力在超燃冲压发动机进气道和燃烧器之间有一段直的通道被称为隔离段,隔离段上强逆压梯度导致的边界层分离对超燃冲压发动机性能影响极大。如果边界层的分离位置从隔离段移动到进气道内，发动机的推力将大幅度降低。研究图1“蛇形”进气道微吹气流动控制研究微射流插件坡道前缘基座PIV测量区微射流攻角枢轴中心线VαXHZ图2两种压电薄膜振动式作动器结构室压电隔膜导线振荡膜图3　压电陶瓷作动器阵列展向布置示意图作动器胶结基座热膜21zAAU0y0.33x空穴220A-Ax270.05射流吹吸气流AERONAUTICALSCIENCE&TECHNOLOGY2010/5航空科学技术综述Overview4发现，分离位置与边界层动量厚度有关。欧美有很多研究是采用磁流体动力（MHD）的方法施加洛仑兹力来控制边界层。在超声速或高超声速飞行条件下，磁流体动力控制边界层需要很高的导电率。日本国家航空航天技术研究所（NAL)在超声速风洞进行了尖锲模型磁流体动力控制边界层研究。结果表明，加速洛仑兹力可以增加边界层内的皮托压力分布；尖锲模型前斜激波的位置取决于来流边界层动量厚度，该厚度可以通过施加加速洛仑兹力来控制。图4给出了风洞试验段中磁场和电极数量和布置位置。.6微机电系统基于微机电系统(MEMS)的主动流动控制技术在飞行器的增升、减阻、改善气动性能、降低噪声等方面都具有重要应用潜力，是当前流动控制领域的研究热点。美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）和加州工学院在AFOSR、DARPA等资助下，开展了基于MEMS技术的湍流边界层主动流动控制技术研究。用MEMS微作动器阵列实现边界层减阻和三角翼前缘涡控制研究，并结合F-15、F-22战斗机进行了实用性研究。在英国航天局主导下，欧洲众多科研机构参与了气动微机电系统（AEROMEMS）计划，展开了利用MEMS主动流动控制技术改善机翼升力特性、改进飞行器进气口和涡轮发动机等方面的工程应用研究。近年来，MEMS器件技术的迅速发展为主动流动控制提供了新手段。MEMS作动器件主要通过改变翼面局部结构或者为飞行器绕流流场提供动量、改变流场涡流状态或边界层分离状态，达到改善飞行器气动性能的目的。MEMS作动器体积微小，可以克服传统作动器的大体积、大功耗缺陷，而且具有响应快、分辨率高、材料易于分布控制等优点。因此被普遍看好并形成了以MEMS为基础结合空气动力学、结构、控制等多学科为一体的先进主动流动控制技术。电磁驱动片式微作动器是MEMS微作动器的一种形式，微作动器面积1～2平方毫米，可以制作成阵列。在电流驱动下，片式微作动器能离开物面偏转一定角度，能绕平衡位置作一定幅度、频率的振动。当作动片向上运动时，带动底层气体与流向涡相互作用，阻止外层高动量气体进入底层，抑制流向涡的发展。试验表明，在10～40Hz频率作用下，模型表面阻力系数低于无控制时阻力系数。此外，还有压电式振动梁、复合喷管等形式微作动器。微气泡型作动器也是MEMS微作动器的一种。它安装在机翼表面，当作动器未充气时，具有与翼面平齐的外形；当通入一定压力气体后，气泡薄膜发生凸起变形，对气流产生微小扰动，进而改变流场状态或影响翼型的边界层结构（图5）。微作动器的致动是采用高压空气供气,通气槽可开在基座上,作动器膜片与基座间可采用粘接装配。MEMS用于主动流动控制关键在于控制元件的微型化和建立宏观物理现象与微作动器之间的耦合关系。　.7智能材料等自适应结构智能材料等自适应结构也广泛用于主动流动控制。现代高机动飞行器经常采用大攻角机动飞行，但流动分离和失速是需要克服的主要问题。机翼动态图5　微气泡型作动器图4　磁流体动力在试验段中的分布赫尔姆霍茨型磁铁皮托压力接口19对电极激波管端口MHD作用区磁场中心壁压接口光学窗底壁赫尔姆霍茨型磁铁19对电极航空科学基金AeronauticalScienceFundAERONAUTICALSCIENCE&TECHNOLOGY2010/5航空科学技术综述Overview5失速是由前缘区域很强的逆压梯度或激波诱导分离引起的。控制动态失速可以通过改变机翼前、后缘弯度来改变局部马赫数和压力分布来实现。国外开展的此类研究有动态可变形前缘、主动气动弹性机翼、“智能蒙皮”等。自适应技术除航空领域外，也应用于风能研究。丹麦风能部Risoe国家实验室开展了自适应后缘形状（ATEG）研究，通过在风机叶片后缘安装压电作动器控制后缘变化，达到主动载荷控制的目的，可以使叶片载荷大幅度增加或减少（图6）。NASA格林研究中心目前正致力于紧凑型固体作动器和具有结构重构能力的高温形状记忆合金（SMAs）研究。研究范围从原子材料建模到设计、加工和各种自适应结构及基于NiTiPd高温形状记忆合金的试验；这包括几种紧凑型作动器的研发。另外，NASA格林研究中心正与波音、NASA兰利研究中心、德克萨斯A&M等联合，在一个新成立的机构下，加速发展和认证基于高温形状记忆合金的重构航空结构。美国空军技术研究所通过一个平面柔性变形体机翼研究了作动器的分布和最优方位。机翼被模拟成组合单元于剪刀状的结构中，每个单元由一个作动器和四个铰链连接在一起。柔性蒙皮用非线性材料模拟，它可以在两个相对的端点之间延伸。该项研究表明，作动器的方位优化取决于载荷条件和机翼的初始结构。波音公司、美国空军、陆军、NASA、麻省理工学院（MIT）、UCLA和马里兰大学已在40×80(英尺)风洞中成功完成了智能材料作旋翼的风洞试验。试验件是每个叶片都带有压电作动后缘调整片的一个全尺寸5旋翼MD900直升机旋翼。试验程序评估了该系统的前飞特性，获得的数据用来验证用于分析旋翼噪声的程序。在美国首次演示了在全尺寸旋翼上用智能材料控制的调整片。NASADryden演示验证了飞行中感应机翼形状和实时确定结构应力的能力。六根光纤被放置在一个经过修形的Ikhana无人机上，它们能实时提供2000个以上应变测量。工作计划的下一步将使用实时形状信息并把这些数据反馈到控制系统来重新分布载荷。宾夕法尼亚州正在用细胞结构的概念和辅助连接自适应机构研发高应变材料。这种细胞结构比没有连接的细胞结构具有低的弯曲应力。细胞结构本身能提供高应变，但使用连接和导致的应力减小，帮助结构能能承受更高的应变。分析表明，这种结构能承受材料允许应变的28倍，并且比没有连接的细胞结构能多承受100%的应变。2主动流动控制技术研究所需的测试技术主动流动控制研究领域所需的测试技术有两大类：了解空气动力现象和效应的传统风洞试验用的测量技术；全场、大范围