流向渦與機翼作用的實驗研究

肖 恒

（中國飛行試驗研究院飛機所，陜西 西安 710089）

旋渦運動是自然界和工程中一種常見的流動現象，它廣泛存在于各種物體繞流中，例如在各類航空飛行器中，飛行器部件產生的渦在向下游發展的過程中，會和下游的飛行器部件發生相互作用，如圖1、圖2 所示。

圖1 F16 上的邊條渦

圖2 發動機上的短艙渦[1]

一方面，這類旋渦能夠增強飛機的機動性，如F16邊條翼產生的邊條渦、Su30 的鴨翼渦與主翼面相互作用，能夠增強飛機的機動性和大迎角特性；民機上采用的短艙渦發生器，在大迎角時產生的短艙渦在與機翼相互作用時能夠明顯改善飛機的失速特性，提高飛機的失速迎角。

另一方面，這類旋渦在與下游部件碰撞過程中也可能導致飛機器出現一些非指令的運動，如F18 曾出現的“幻影側滑[2]”，這是因為機頭產生了非對稱旋渦流動，在向下游發展過程中，與機身相互作用，產生較強的偏航力和偏航力矩，給飛行安全帶來了極大的隱患[2]。同樣，旋渦向下游發展過程中，與飛機部件的碰撞，也可能導致部件結構的損傷，在F/A18 上旋渦向下游發展過程中，出現了旋渦破裂而與垂尾相互作用導致垂尾振蕩的問題[3]。

而對于這類旋渦和飛行器部件的相互作用模型進行簡化，即是渦和機翼干擾模型，而根據渦的軸線與機翼空間位置的不同，可以將渦和機翼干擾分為以下三種情況：（a）平行（parallel）；（b）線面垂直（normal）；（c）渦線和機翼前緣垂直（perpendicular/streamwise），如圖3 所示。

圖3 渦和機翼干擾分類

在飛行器飛行過程當中，這三種渦和機翼干擾都可能存在，文章主要研究垂直的渦和機翼干擾。現在常見的近距耦合鴨式布局或者邊條翼布局，他們利用前體渦，改變主翼流場結構，進而提升飛機的氣動性能[4-5]。在導彈較大攻角的情況下，從前方細長體脫落的對稱渦或者由鴨翼產生的渦，在向后發展的過程中，前體渦會和下游的操縱舵面發生干擾，對舵面的操縱效率有著重要的影響[6-7]。在現在的直升機力學當中，葉片與上一個葉片尾流當中的葉片翼尖渦產生干擾，這種渦和機翼會顯著改變葉片的氣動性能，同時也會產生特殊的聲學現象“葉片拍擊”[8]，如圖4 所示。

圖4 飛行器上典型的流向渦和飛行器部件的干擾

1 模型和測試方法

為了開展流向渦和機翼相互作用實驗研究，構建的風洞實驗平臺如圖5 所示，利用來流上游的平板作為流向渦發生器，并通過轉臺和升降臺精確控制流向渦的渦強和入射高度。

圖5 流向渦和機翼相互作用實驗布局

1.1 實驗模型

本次研究使用的機翼為矩形機翼，機翼弦長=200mm，展長b=500mm，展弦比λ=2.5。翼剖面為NACA633418 翼型，該翼型是一種層流翼型，相對厚度為18%，最大厚度點出現在0.3c 位置，在一定升力系數范圍內具有低阻力特性。

在機翼表面共布置8 排測壓孔：前四排的測壓孔中，每一排測壓孔都有21 個測壓孔，每排相鄰兩個測壓孔間距為5mm，而兩排相鄰測壓孔的間距為20mm。后面四排測壓孔，每一排有11 個測壓孔，相鄰兩排的測壓孔距離依然是20mm，如圖6 所示。

圖6 模型示意圖

流向渦發生器是一塊平板，如圖7 所示，弦長為150mm，展長為200mm，厚度為3mm，旋渦發生器與高精度電動轉臺連接，通過步進電機可精確控制渦發生器的迎角，通過調節電動轉臺高度，可精確調節流向渦的入射高度h。

圖7 流向渦發生器示意圖

1.2 測試方法

本次研究使用的方法和技術主要包括：表面油流顯示、模型表面測壓技術。表面測壓技術的系統主要組成為：壓力變送器、NI 數據采集系統以及LabVIEW 可視化軟件。該壓力采集系統共有八個模塊集成的八通道壓力變送器，并且每個變送器可以單獨工作。壓力采集模塊采用差壓傳送器模擬量芯片。傳感器量程為0～0.15psi，精度為0.15Pa，動態響應為1kHz。

2 實驗結果與分析

圖8 是在沒有渦發生器、機翼迎角為0°的情況下油流顯示結果。從圖中可以看出：在機翼0.4c（c 是弦長）的位置，油流的示蹤粒子出現堆積，說明在該位置流動出現明顯分離；在0.4c～0.7c 之間，表面的流譜基本無變化，說明在該位置，機翼流動處于分離狀態；而在0.7c 之后，再次出現示蹤粒子的跡線，說明在0.7c位置，流動出現再附，而在翼尖出現明顯的三維影響區。這是因為NACA633418 作為一種層流翼型，在低雷諾數時，機翼表面出現了明顯的層流分離；在層流分離后，流動發生轉捩，流動再次在機翼表面再附，從而在分離點（0.4c）和再附點（0.7c）之間形成層流分離泡。

圖8 無渦干擾下的油流顯示圖

圖9 所示為在渦發生器的迎角為8°，高度間隔h=10mm、ε=1c，從機翼迎角為0°時的流動顯示結果，可以看到整個流動區域分為五個部分：從機翼前緣到機翼表面測流分離點的層流區域、從再附點到后緣的湍流作用區域、左側的層流分離泡、右側的層流分離泡及旋渦核心作用區域。

圖9 流向渦作用下的表面流譜

此外，相對于左側的層流分離點，右側的層流分離點更加靠近于機翼的前緣，隨著遠離渦核，分離泡的前、后移動的距離逐漸減小。對于旋渦從旋渦的核心作用區域，可以看到：旋渦在與機翼相互作用的過程中，旋渦的軌跡開始向右移動。

在渦發生器攻角為8°、ε=1c 時，通過升降臺調整旋渦發生器與機翼前緣之間的高度差h（如圖5 所示），研究高度h 對渦和機翼相互作用的影響。圖10 所示即為h=30mm、20mm、10mm、0mm 時油流顯示圖。

圖10 高度h 對旋渦和機翼作用結果的影響

對比不同結果的油流實驗結果，可以看到：

當h=30 時，此時旋渦和機翼表面的流動相互作用較為微弱，但是此時機翼表面的層流分離泡已經被扭曲，左側的前緣分離點后移，右側的層流分離泡前移。

當h 減小到20mm 時，旋渦和機翼相互作用增強，層流分離泡被進一步扭曲，近乎扭斷，且左側層流分離泡前緣核后移、右側層流分離泡前緣前移被進一步加強。

當作用距離h 繼續減小時，旋渦和機翼表面流動相互作用進一步加強，流動層流分離泡被切割成兩個部分，渦核中心作用區域的流動逐漸擴大。

對比分析旋渦和機翼相互作用的油流顯示結果，可以得到如圖11 所示結果。當旋渦與機翼相互作用時，會極大改變飛機表面的流動。

圖11 旋渦和機翼相互作用示意圖

一方面，在旋渦上洗一側，由于旋渦的上洗作用，增加了當地的迎角，從而使得機翼表面的層流分離點前移，并且隨著遠離渦核，這種上洗作用逐漸減弱，分離點前移也逐漸減小；對于旋渦下洗一側，作用相反，下洗導致當地的迎角減小，進而導致分離點向后移動。

另一方面，旋渦機翼的相互作用改變了旋渦的軌跡，使得旋渦的軌跡向右滑移。