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動态失速研究取得重大進展,未來方向何去何從?

作者:簡意文史

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五十多年來,動态失速一直是一項技術挑戰和令人感興趣的流體動力學課題;但是,在過去的十年裡,在轉子動态失速的了解、預測、模組化和控制方面取得了重大進展。

本文總結了動态失速實驗的現狀以及了解旋翼動态失速的未來方向。實驗資料集讨論了動态失速控制的未來研究方向。之間的協調測試翼型以及計算和實驗研究之間的緊密結合被發現是有效的方法。

先進的分析方法,包括統計方法、模态表示法和人工智能方法,使人們對動态失速的了解取得了重大進展。對動态失速控制裝置的研究已經允許對轉捩到分離流進行許多有用的有針對性的研究,但還沒有産生一種商用裝置。

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典型的動态失速是一種非定常空氣動力現象攻角和升力面迎角的快速變化,在此過程中氣流分離。實際上,動态失速是由複雜的流場現象産生的,包括互相作用的剪切層和渦流。

動态失速通常是旋翼空氣動力學的主要興趣,但也是非定常空氣動力學中許多問題的關鍵因素,包括固定翼和撲翼飛行器、軸向和橫流風力和潮汐渦輪機,以及通過空氣尾流的飛行。

預測動态失速并在許多尺度的飛行包線内減輕它的能力對于改進目前的安全标準和減輕新設計和任務中動态失速的影響是必要的。

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然而,在過去十年中,由于計算模組化和光學測量技術的進步,在許多應用中,特别是在旋轉機翼上,對動态失速的了解、預測、模組化和控制已經取得了重大進展。

這在大量關于平移和旋轉機翼動态失速的出版物中可見。對動态失速的研究不斷提高定量預測的精度,為未來軍事所需的新旋翼設計提供資訊或者民用直升機。動态失速是一種重要的載荷情況,它限制了新直升機的尺寸,是以提高載荷預測的精度将改進未來飛行器的結構設計。

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預測和控制動态失速的能力對于改進目前的安全标準也是必要的,并且對動态失速和由此産生的葉片載荷的實體特性的更好了解将提供對可實作的飛行包線的更好估計。

對于現有的飛行器和任務,以及未來的城市來說都是如此空中機動性(UAM)在城市和不穩定空氣動力環境中的飛行,由于尾流和陣風飛行,可能導緻葉片攻角快速變化的額外來源(進而有動态失速的風險)。

旋轉翼應用中的動态失速特性取決于各種各樣的條件,其複雜的非線性行為已經成為許多實驗和計算努力的焦點。

目前較低保真度的數值分析不足以捕捉動态失速的細節,是以計算流體動力學語言(CFD)或計算流體動力學-計算結構動力學(CFD-CSD)分析是可取的。

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動态失速的實驗主要分為兩類:與動态失速有關的實體現象的研究和高保真計算驗證資料庫的開發。

這些實驗當然不是互相排斥的,但是實驗通常在第一個執行個體中被設計成側重于一個或另一個。

自從高保真、第一原理模組化在實驗設計在實驗品質方面取得了顯著的進步,特别是在傳感器位置的選擇和對離散傳感器位置如何影響實驗和CFD之間的比較的了解方面實驗幾何形狀和條件的計算流體動力學計算也澄清了以前未充分探索的系統誤差。

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這些誤差可能是由于模型安裝和風引起的隧道幹擾,導緻重新評估實驗和計算流體動力學如何在發展我們對動态失速和其他複雜氣動現象的了解中互相補充。

已經在許多不同的裝置上進行了動态失速實驗,從隔離特定現象的裝置到捕捉大範圍現象的裝置。例如,飛行試驗有望提供全範圍的空氣動力現象,但成本高,可用的測量技術和分辨率有限,飛行包線部分也有限,是以失速現象的識别和分析受到阻礙。

轉子測試裝置允許額外的測量技術,但是旋轉系統中的柔性表面和大型風洞的要求通常限制了可以合理執行的測量範圍。

此外,即使可以獲得高品質的測量結果,由于環境複雜,也很難區分負載和流量現象的原因。

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進一步降低實驗裝置(有限長機翼、俯仰翼型)的實體複雜性,可以更詳細地了解單個動态失速現象,通常會提高測量分辨率。

最後,更規範的實驗和與經典理論的直接比較可以為了解飛行中旋翼上更複雜的流動形成一個強有力的理論基礎。通過實驗和計算加深對動态失速的了解可以指導控制這些流動的新思想。

本文回顧了一系列動态失速的流動控制實驗,展示了不同方法的優勢。在受控的實驗或數值設定中,許多被動和主動流動控制政策已被證明在抑制或延遲動态失速方面是有效的。

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這些概念證明實驗有助于我們了解動态失速的發展,即使被測試的方法還沒有進入實施階段。先描述動态失速,然後描述不同的實驗,包括在飛行中進行的實驗,在轉子鑽機上,在俯仰機翼,等等翼型以及解決特定現象的專門實驗與動态失速測量相關的專題将在第節中介紹。

這篇綜述文章主要集中在旋轉動态失速的最新實驗進展上。在這個領域的進展需要實驗,計算和理論的貢獻,共同提供了一個完整的領域概述。

本文未涵蓋的其他主題包括旋翼動态失速的氣動彈性模組化和動态失速開始的感測,以及關注更傳統的計算和理論進展的其他領域。

傳統上,動态失速被定義為當氣流分離,然後随着俯仰角(迎角)在升力面(如機翼或機翼)上諧振而重新附着的非定常現象轉子葉片。在許多情況下(例如,在向前飛行的旋翼上)迎角大幅度周期性變化,是以在動态失速之後,葉片向下傾斜,氣流重新附着。

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下面的許多例子都符合這個概念。在本文中,動态失速被概括為以下過程非定常流升力面上的分離有效迎角大于靜态失速角。

由于葉片間距(即葉片的運動)或相對流速和/或方向(例如遭遇陣風或葉片-渦流互相作用)的變化導緻表面(即機翼、葉片或闆)的有效攻角快速增加,是以流動分離以及失速可能會延遲。

流動重附着是一個複雜的過程,本身就吸引了很多研究是以,出于目前工作的目的,以下章節将主要關注氣流分離和失速的過程(以及由此産生的氣流現象和葉片載荷),而不是再附着和恢複。

多年來,動态失速通常以多種方式進行分類。其中最常見的是區分光和深的動态失速。這些描述符通常用于強調失速的“數量”。一般來說,如果一個投手機翼以高振幅螺距變化驅動,将會有一個迎角範圍,在這個範圍内動态失速首先發生,振幅的增加導緻俯仰力矩峰值的增加。這個“光失速”區域對輸入條件的微小變化也相對敏感。

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如果振幅進一步增加,失速引起的力不再繼續增加,空氣動力學對輸入條件的微小變化變得相對不敏感。這種"深度失速"區通常與"輕度動态失速"區沒有明顯的差別,文獻中對這種界限的定義也各不相同。

大多數分類是基于流動分離的程度和範圍。基于潛在的實體機制和失速開始時間的差別由下式提出。當振蕩翼型在達到最大攻角之前發生動态失速時,流動和力響應顯示出深度動态失速的一般特征。

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在達到動态失速起始迎角之前,俯仰速率的符号反轉的情況被認為是輕度動态失速情況。同樣的,後緣失速和前緣失速用于描述動态失速的進展。俯仰厚翼型(或者有時薄翼型如果俯仰速率足夠慢)通常顯示從後緣向前緣增長的分離區域。

這導緻失速發生前升力出現相對平緩的峰值。這種“後緣失速”可以與“前緣失速”形成對比,在“前緣失速”中,分離區從前緣開始增長,而後緣附近的流動保持(暫時)附着。

在這種情況下,薄翼型、前緣更尖的翼型或俯仰更快的翼型會發生氣流分離,氣流分離會在短時間内發生,并導緻更突然的失速。逆流動态失速是一種相對罕見的現象,發生在以高前進比運作的旋翼上。在這種情況下,相對自由流從典型的尖銳幾何形狀的葉片後緣移動到典型的鈍的幾何形狀的前緣。

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在反向流動中,尖銳的氣動前緣通常會導緻快速的氣流分離,進而導緻前緣失速。通過PIV測量顯示,OA209翼型具有前緣失速,但提升曆史介于其他兩者之間。

動态失速可能發生在轉子半徑,使當地的自由流馬赫數從不可壓縮到高亞音速可壓縮。壓縮性影響,這可能會發現在自由流速度低至M∞=0.2,已經觀察到改變動力機制失速,并降低動态失速開始時的非線性升力峰值。

卡爾和錢德拉塞卡拉發表了一篇關于動态失速壓縮性的綜述,進一步闡明了這些影響。

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如果轉子葉片穿過尾流、渦流區域(例如,從前面的葉片脫落)或湍流空氣,則空氣動力攻角可能由于周圍環境而不是葉片本身的任何特定運動而突然改變。在這些情況下尾流攝入或者葉片-渦流互相作用即使實體迎角相對恒定,動态失速也可能發生。

這種類型的互相作用對于高載荷旋翼或轉彎飛行中的旋翼來說是相對常見的,并且也是結構載荷的主要原因聲發射。

這些術語形成了共同語言的基礎,該共同語言将用于在以下示例中讨論特征流動現象和相關的力響應,這些示例的範圍從三維的,高雷諾數标稱二進制低雷諾數俯仰翼型的飛行試驗測量與飛行有關的氣流的最直接的方法是用儀器測量飛行器。

飛行試驗可以提供非常寶貴的資料,但是成本高,并且測量分辨率通常比實驗室中可能的要低。

參考文獻

《旋翼動态失速綜述》

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