边界层控制

发布者:admin 发布时间:2019-10-28 13:30 浏览次数:

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  工程上有时希望减小物体的阻力,为达到此目的,往往采用控制边界层的方法使整个流动朝人们希望的方向发展。为了实现人工控制边界层特性的目的,迄今已经提出了好几种方法。早在1904年,普朗特就提出了几个控制边界层的实验来避免分离。边界层控制的问题,特别是在航空工程领域内,一度成了非常重要的问题。在实际应用上,为了减小阻力并获得较高的升力,往往需要防止分离。

  避免分离最明显的方法是防止边界层的产生。边界层的存在意味着固体壁面附近的流速与流体主流速度存在着很大差异。如果让同体壁面与流体一起运动,这样就能减小速度差异,达到减阻的目的。

  得到壁面移动这种结果的最简单的方法是圆柱旋转。圆柱放在与其轴线相垂直的流动中,旋转圆柱。在流动方向与柱面运动方向相同的一侧,完全消除了分离;而在流体运动方向与壁面运动方向相反的另一侧,仅发生了不完全的分离。除旋转圆柱外,其他物体要想让壁面与流体一起运动,实现起来是很困难的,冈此这种方式实用性较差。

  如果能够提供一定的能量给边界层中被阻滞的流体质点,就能防止边界层的分离.加速边界层有两种方式,一种是吹气,另一种是加襟翼(开缝翼),机翼内喷出一股气流,这就是吹气的方式,延缓边界层的分离。为了壁面吹出的射流在出口后面短距离内转化为旋涡,一定要非常注意缝口的形状。通过加襟翼,从主流获得能量来加速边界层。这两种方法都可以使机翼在大攻角下推迟分离。

  在边界层将要发生分离之前,把部分流体从边界层中吸除,在缝口后面的区域可以形成一个新的重新能克服一定逆压梯度的边界层。采用适当的缝口结构和在适当条件下,以完全防止边界层分离。普朗特首先进行了抽吸应用的实验,后来这个办法广泛地应用在飞机机填设计上。由于采用抽吸,在大攻角时,在上翼面可以得到明显的吸力增加,从而得到更大的最大升力值。

  后来,还利用抽吸降低阻力。利用抽吸缝口的适当安排,能使边界层转捩点向下游移动;由于层流阻力远小于湍流阻力,从而使阻力系数减小。这种由于抽吸引起的推迟转捩的作用,在于减小边界层的厚度,从而减小转为湍流的倾向。另外,有抽吸边界层的速度剖面更丰满,比起无抽吸而厚度柑等的层流边界层来,它的形状更不容易产生湍流。实验表明,利用抽吸保持层流而引起的阻力降低.在很大程度上依赖于对缝口形状的仔细修整。如果不采取这种预防措施,流动会受到缝口的很大影响,以敛容易发生向湍流转捩。

  采用适当的机翼形状可以推迟层流边界层转变为湍流边界层。这种作用与抽吸边界层的效果一样,可以减少摩擦阻力。

  外流中的压力梯度强烈地影响边界层转捩点的位置。在压力递减时,出现转捩的雷诺数要比压力递增时高得多。压力沿流动方向递减对边界层具有很大的稳定作用;压力沿流动方向递增时作用相反:这种情形在现代低阻翼型上得到应用。将最大厚度截面大大后移,就能得到这种所希望的结果。采用这种方法,翼型的大部分区域是在向下游递减的压力影响下,因而能维持层流边界层。

  通过多孔壁面向边界层注入与外流不同的轻质气体,可以降低壁面与气流之间的热交换率,这是采用这种方法所产生的最重要的作用之一。由于这个原因,这种方案经常用来提供高超声速速度下的热防护。注射在边界层内产生一种混合气体,因此除了动量传递和传热过程以外,还增加了由于扩散引起的传质过程。一般说来,对于沿浓度梯度的扩散而言,一定不要忽略热扩散。当液体薄膜在壁面上蒸发时或者当壁面材料本身熔化或升华时,也会发生类似的过程。

  在很多工程问题中,控制边界层脱离十分重要。控制边界层脱离的方法很多,但无外乎两大类。一类是改变物体的形状,控制物面上的压强梯度,从而尽量缩小脱离区,例如采用细长的流线形物面;另一类是考虑流动的内部因素,增加边界层内流体微团的动量以加强抗逆压力梯度的能力,如:在壁面吹吸流体,延缓分离,减少分离区,达到减少压差阻力的效果。由于流动的分离点和来流的状态有关,因此,在周定点处吹气或吸气的控制方法往往不能满足实际的要求。近年来;利用微型传感器溅量绕流物面的流动特性(如压强或压强梯度),根据测得的信息,在物面必要的位置实行流动控制,这种带有反馈信息的控制方法称作主动控制。

  一架沃罗涅什飞机制造厂制造的An-12B(注册号为非标准的CCCP一291 10,c/n 402502)被改装成边界层控制试验机,在机翼上表面正对发动机位置安装了4个雪茄形整流罩。这架试验机使用吹除式襟翼,进行湿跑道试验。后来,CCCP-291 10号又被恢复成标准结构。

  1942年,一架配装图曼斯基M-87B发动机的生产型DB 3远程轰炸机.由LII改装成DB-3UIPS试验机(边界层控制试验机)。飞机机翼改装成带边界层控制系统的高升力装置(襟翼和下垂副翼)机翼。机翼上表面和高升力装置沿翼展方向的缝隙上的边界层均被吸除或吹除,为此,在炸弹舱安装了一台116 hp的ZiS-101汽车发动机,用以驱动吹除风扇。

  邹高万,贺征,顾璇编著,粘性流体力学=Viscous fluid dynamics,国防工业出版社,2013.06

  (俄)叶菲姆·戈登,(俄)德米特里·科米萨洛夫著;刘选民译,苏联与当代俄罗斯试验飞机,西北工业大学出版社,2012.11


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