低雷諾數(shù)下附面層分離的抽吸控制及優(yōu)化.pdf

1、低雷諾數(shù)條件下邊界層容易出現(xiàn)流動(dòng)分離，對(duì)飛行器氣動(dòng)性能和飛行穩(wěn)定性等產(chǎn)生嚴(yán)重影響。針對(duì)該現(xiàn)象，選擇抽吸控制方式以抑制分離流動(dòng)、改善翼型氣動(dòng)性能，采用自編軟件，對(duì)分離流動(dòng)抽吸控制進(jìn)行了系統(tǒng)研究。
　　抽吸控制參數(shù)主要包括抽吸系數(shù)、抽吸角度、抽吸孔徑和抽吸孔間距等，對(duì)抽吸控制效果的影響及其交互影響規(guī)律是本文的重點(diǎn)。目前對(duì)于抽吸控制的研究多集中于對(duì)氣動(dòng)性能的影響，除了Wahidi等實(shí)驗(yàn)研究外，均沒(méi)有考慮抽吸控制作為主動(dòng)控制所需要的能量消

2、耗問(wèn)題。因此，本文從氣動(dòng)力變化和抽吸能耗兩個(gè)方面綜合地衡量和評(píng)估抽吸控制效果。
　　抽吸控制是多參數(shù)、多目標(biāo)的流動(dòng)控制。所考慮的設(shè)計(jì)參數(shù)越多，則越難以確定最優(yōu)參數(shù)組合，優(yōu)化目標(biāo)又可分為單目標(biāo)和多目標(biāo)，特別是Pareto多目標(biāo)優(yōu)化在目前抽吸控制優(yōu)化鄰域內(nèi)鮮有報(bào)道，因此結(jié)合優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)不同目標(biāo)的控制優(yōu)化是本文重點(diǎn)解決的又一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。
　　三維有限翼展機(jī)翼繞流中不僅存在翼表面的分離流動(dòng)，還有翼梢處的翼尖渦。翼尖渦會(huì)產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲，

3、甚至使部件產(chǎn)生顫振等影響，當(dāng)施加抽吸控制后，不僅要分析機(jī)翼本身氣動(dòng)性能的變化和抽吸能耗品質(zhì)因數(shù)，還要考慮翼尖渦的結(jié)構(gòu)、軌跡和強(qiáng)度受抽吸控制影響這一因素。因此綜合考慮三維有限翼展機(jī)翼分離流動(dòng)及翼尖渦受抽吸控制的影響，是本文對(duì)抽吸控制在三維中的進(jìn)一步探討。
　　本文主要內(nèi)容如下:
　　首先基于AUSM+-up格式、高階WENO重構(gòu)、隱式雙時(shí)間步長(zhǎng)法、Wall-AdaptingLocal Eddy-Viscosity（WALE）亞

4、格子模型和并行技術(shù)發(fā)展了非定常流動(dòng)的大渦模擬自編軟件，對(duì)低雷諾數(shù)下NACA0012翼型表面分離流動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)研究，分析了低雷諾數(shù)下翼型表面流動(dòng)特點(diǎn)。
　　選擇低雷諾數(shù)下繞翼型分離流動(dòng)作為抽吸控制的基準(zhǔn)狀態(tài)，對(duì)抽吸系數(shù)、抽吸方向、抽吸區(qū)域相對(duì)于分離點(diǎn)的作用位置、孔間距和孔徑等參數(shù)，從對(duì)翼型氣動(dòng)性能的影響和能量消耗兩個(gè)方面綜合衡量和評(píng)價(jià)抽吸控制效果。結(jié)果表明:隨著抽吸系數(shù)的增加，升阻比先是快速增長(zhǎng)然后緩慢下降;抽吸系數(shù)不僅存在一個(gè)下限

5、值以達(dá)到快速、有效的控制效果，而且有一個(gè)上限值以保證抽吸能耗的品質(zhì)因數(shù)大于1;抽吸角度對(duì)抽吸控制有顯著影響，當(dāng)抽吸角度較大時(shí)，不僅翼型升阻比獲得了提升，而且抽吸控制所消耗的能量也會(huì)進(jìn)一步減少;當(dāng)抽吸區(qū)域位于分離點(diǎn)之后時(shí)，抽吸控制效果最好;孔間距和孔徑對(duì)翼型氣動(dòng)性能的影響較小，但對(duì)抽吸能耗的品質(zhì)因數(shù)分布的影響較大。
　　通過(guò)壓力系數(shù)、邊界層速度分布、邊界層特征參數(shù)（位移厚度、動(dòng)量厚度和形狀因子）在抽吸控制前后的變化，詳細(xì)分析了抽吸控

6、制機(jī)理。一方面，在抽吸控制作用下，因邊界層分離而導(dǎo)致的動(dòng)量損失減小，流向動(dòng)量增加，從而增強(qiáng)抵抗逆壓梯度的能力，抑制邊界層分離;另一方面，在多孔分布形成的抽吸區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的低壓也對(duì)氣動(dòng)性能的改善提供了一定貢獻(xiàn)。
　　為了獲取多個(gè)抽吸控制參數(shù)的最優(yōu)組合，通過(guò)徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法的耦合，發(fā)展了求解單目標(biāo)和Pareto多目標(biāo)問(wèn)題的優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)。優(yōu)化結(jié)果表明:該優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)具有良好的收斂性和準(zhǔn)確度;以升阻比為單目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)使升阻比最

7、大增加了2.4倍;抽吸品質(zhì)因數(shù)作為單目標(biāo)達(dá)到最優(yōu)解時(shí)，阻力系數(shù)明顯降低，而升力系數(shù)變化很小;Pareto多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)獲得了分布均勻的、令人滿意的Pareto解集，為設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)可選的有效解數(shù)據(jù)庫(kù)。
　　最后探討了抽吸控制在三維有限翼展機(jī)翼分離流動(dòng)中的應(yīng)用，并研究了翼尖渦在抽吸控制前后的變化。發(fā)現(xiàn)抽吸系數(shù)對(duì)機(jī)翼的氣動(dòng)性能影響明顯，升力系數(shù)和升阻比增加量都逐漸增大，阻力系數(shù)呈減低的趨勢(shì)，抽吸品質(zhì)因數(shù)變化規(guī)律是逐漸減小。抽吸角度對(duì)