尾流控制中尾涡相交不稳定性的实验研究

摘要

尾流对飞行安全造成威胁，为了保证在机场终端区内飞机起飞、进近、着陆时的安全，国际民航组织ICAO在前后机之间规定最小尾流间隔标准。根据间隔标准，飞机在起飞/着陆时，就必须与前面的飞机保持安全距离，即预留出足够的安全时间间隔。但这样就降低飞机的起降频率，减少机场客运量。尤其在如今越来越多的航空运输要求下，很多机场显得拥挤不堪。为了提高飞机安全性，同时改善机场的经济效益，如何对尾迹涡进行控制并加快其消亡成为近年来民用航空领域极具挑战性的研究课题。在各种对尾流实施控制的手段中，通过主动的方式引入扰动，触发翼尖涡的不稳定性被视为一种最有可能减弱尾涡强度的方法。在这些触发不稳定性的方法中，Rayleigh-Ludwieg不稳定性，即相交不稳定性最有可能减弱尾涡的强度，并应用于实际的飞机上。本文通过设计一种结构化的矩形直机翼所构成的涡发生器来产生一对大小不同、方向相反的涡。调节这组涡的大小比例Γ1/Γ2及他们的距离b，触发两涡之间的相交不稳定性。实验研究在厦门大学航空流体实验室的拖曳式水洞中进行，以模拟一种无扰动的环境。通过采用改进的，适用于本实验的流动显示方法，定性的观察单涡形成发展过程及双涡相互作用过程。通过二维PIV系统定量研究单涡特性及双涡作用特征。对采集的数据进行分析处理后，得到了不同角度单涡的环量，证明了角度减小，涡的强度相应减少。同时得到了单涡环量-时间曲线，证明了在不外加扰动的情况下，单涡的持续时间很长，其环量-时间曲线基本成一条直线。分析双涡相互作用特性，可以得到在相交不稳定性产生时主涡及次涡的运动特性，环量-时间特性。对不同参数下残余环量比例进行分析，可以得到在本文实验组合中，Γ1/Γ2在1.3-1.4间及b为50mm时效果较好。可见相交不稳定性是发生在一个特定Γ1/Γ2及b的参数组合范围下的，而在本文所进行实验的参数组合中，能够实现尾涡强度减小程度达到30％-40%。