飞飞尾流中r-L不稳定性的实验研究

摘要

飞机尾涡是与升力相关的固有的流动现象，是流体流过有限长机翼在机翼翼尖位置卷起的具有轴向速度和切向速度的三维漩涡，它对后续切入尾流的飞机构成一定的安全威胁。因此，为了保证民航机在机场起飞和降落的安全，国际民航组织(ICAO)规定了前后飞机起降时间间隔的尾流间隔标准。根据该标准，飞机在起降过程需要与前面的飞机保持足够的安全时间间隔，但这样便减小了机场飞机的起降频率，影响了民航运输业的经济效益。为了解决该问题并提高飞机起降过程的安全性，就需要对如何控制并尽快消减机翼尾流进行探究。研究发现，通过主动引入扰动来诱发尾涡不稳定性是一种行之有效的消弱尾涡的方法。诱发尾涡的不稳定性方法多种多样，其中Rayleigh-Ludwig不稳定性理论具备可能在飞机上得到应用的潜力。
　　本文利用简化机翼模型产生一对主翼尾涡，来模拟飞机尾流涡系。通过添加扰流片引入一个与主翼尾涡大小不同、方向相反的小涡。通过改变扰流片的尺寸和形状来调节两涡之间的参数b1/b2和Γ1/Γ2，探究诱发两涡发生Rayleigh-Ludwig不稳定性的最佳参数组合。本文实验工作在厦门大学流体实验室(FMPL)进行。通过染色和光切片等流动显示方法，定性研究单主翼尾涡形成和发展的过程以及双涡相互作用的过程。通过采用二维PIV系统定量研究单主翼尾涡发展特性以及双涡相互作用特性。
　　实验结果表明，在测试翼展内其数据分布的拟合线斜率接近零，说明在无外界扰动的情况下单主翼尾涡的能量持续时间很长。在添加扰流片的情况下研究了各个组合下双涡的作用过程，分析了不同参数下双涡作用的环量-翼展曲线。在本文的实验组合中，主翼尾涡的环量可以衰减到初始值的45％-55％，这说明添加适当的扰流片能诱发主翼尾涡的Rayleigh-Ludwig不稳定性，加速主翼尾涡的破裂。根据不同组合下的环量衰减值不同，可知Rayleigh-Ludwig不稳定性是发生在一个特定的b1/b2和Γ1/Γ2参数组合范围下。本文系统性的实验结果可以为低尾流机翼的工程设计提供参考依据。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 飞机尾涡

1．1．1 尾流概述

1．1．2 尾涡的发展过程

1．1．3 翼尖尾涡的强度

1．2 尾涡的危害

1．3 尾涡间隔标准

1．4 国内外研究现状

1．4．1 国外

1．4．2 国内

1．5 本文所做工作

第二章 尾涡不稳定性理论

2．1 尾流控制方法概述

2．2 Crow不稳定性理论

2．3 Rayleigh-Ludwig不稳定性理论

2．4 Helical不稳定性

2．5 本章小结

第三章 实验设备

3．1 FMPL简介

3．2 多功能精密循环水槽系统

3．3 拖曳台车及六分量测力天平

3．4 二维PIV测试系统

3．4．1 PIV测试原理

3．4．2 示踪粒子

3．4．3 激光照明及导光系统

3．4．4 图像信息采集系统

3．5 本章小结

第四章 实验模型与方法

4．1 实验模型

4．1．1 机翼模型

4．1．2 扰流片

4．2 实验方法

4．3 本章小结

第五章 尾涡相互作用的定性研究

5．1 定性流动显示方法概述

5．2 矩形扰流片的双涡流动显示实验

5．2．1 流动显示实验设置

5．2．2 扰流片b=60mm

5．2．3 扰流片b=55mm

5．2．4 扰流片b=50mm

5．2．5 扰流片b=45mm

5．2．6 扰流片b=40mm

5．3 圆弧形扰流片流动显示实验

5．3．1 扰流片r=55mm

5．3．2 抗流片r=50mm

5．3．3 扰流片r=45mm

5．3．4 扰流片r=40mm

5．4 双涡相互作用特性定性分析

5．5 无扰流片单涡流动显示实验

5．5．1 来流速度为0．5m／s

5．5．2 来流速度为0．4m／s

5．5．3 来流速度为0．3m／s

5．5．4 单主翼涡发展特性定性分析

5．6 本章小结

第六章 Rayleigh-Ludwig不稳定性的定量PIV研究

6．1 PIV实验方法

6．2 PIV后处理方法介绍

6．3 有扰流片PIV实验

6．3．1 主翼涡速度矢量图分析

6．3．2 主翼涡涡量图分析

6．3．3 主翼涡环量分析

6．4 有扰流片PIV实验

6．4．1 双涡相互作用速度矢量图分析

6．4．2 双涡相互作用涡量图分析

6．4．3 双涡相互作用环量分析

6．5 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 本文研究内容总结

7．1．1 无扰流片单主翼涡形成及发展总结

7．1．2 矩形扰流片双涡相置作用总结

7．1．3 圆弧形扰流片双涡相互作用总结

7．1．4 小结

7．2 展望

参考文献

作者在攻读硕士学位期间发表的论文

致谢