翼型绕流的洛伦兹力控制机理

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．3(2014)034701翼型绕流的洛伦兹力控制机理冰陈耀慧董祥瑞陈志华张辉栗保明十范宝春(南京理工大学瞬态物理重点实验室，南京210094)(2013年9月14日收到；2013年10月23日收到修改稿)在翼型上翼面壁面附近流场中形成的流向洛伦兹力，可提升翼型的升力减小阻力，然而制约其推广应用的主要瓶颈是极为低下的控制效率，为提高洛伦兹力的控制效率，需研究其控制机理．以翼型绕流的洛伦兹力控制为例，利用双时间步Roe格式及水槽对其进行数值及实验研究．结果表明：洛伦兹力的控制效果随着来流速度的增加而下降，升力增幅和阻力减幅与来流速度大小呈反比关

2、系，但升力增加和阻力减小的规律不变，都是升力先急剧增加随后缓慢增加，而阻力先急剧减小然后再缓慢增加，基本原因为升力和阻力先受洛伦兹力推力的影响而分别增加和减小，随后洛伦兹力作用增加翼面壁面摩擦力，导致升力减小和阻力增加，流向洛伦兹力还导致翼型壁面压力下降，增加翼型升力和压差阻力；壁面摩擦力导致的升力降幅比壁面压力变化导致的升力增幅小，壁面压力变化起主导作用；洛伦兹力推力对阻力的降幅比压差阻力的增幅大，洛伦兹力推力起主导作用，因此阻力减小．关键词：边界层，洛伦兹力，翼型绕流，流体控制PACS：47．65．一d．47．85．L—DOh10．7498／aps．63．034701于满足工程应用中的各种

3、需求[6-12】．引言早在20世纪中叶，就有人提出利用洛伦兹力控制流体边界层，通过阻止边界层厚度的增加翼型的性能在很大程度上将会影响飞行器的来增进推力和延缓层流向湍流转捩的发生，随后飞行距离、接近速度、爬升率、操控性能、燃料消耗Henoch等【l3J实验利用洛伦兹力对平板湍流边界等[1]．翼型性能主要受其流动分离影响学者及工层进行控制研究，发现正向洛伦兹力增加壁面的程师对翼型的流动分离控制进行了大量的研究，按摩擦力，减少边界层的厚度，降低边界层湍流的振照有无能量输入的方式分主要为被动和主动控制荡强度．Berger等[14J对槽道湍流开环和闭环两种方法．被动的控制方法是指无能输入的流动控制方洛伦

4、兹力减阻效率进行了直接数值模拟(DNS)，发法，比如涡流发生器[2]’肋条【。1等，但被动控制方现电磁力的减阻效率很高，但耗能也非常大．理法不能根据实际条件进行控制调整．主动控制方法想的壁面法向电磁力闭环控制产生40％的减阻效指有能量输入的控制方法，比如合成射流【4】．值得率所耗的功率最少，但是消耗的能量仍然比减阻注意的是，洛伦兹力(Lorentzforce)被认为最有潜所节省的能量多．Breuer等[15】在Henoch等[13]研力的三种主动控制方法之一最近被广泛关注，并对究的基础上，设计制作了展向多相振荡洛伦兹力其进行了大量的实验与理论研究-5J．其基本方法是激活板，发现由激活板产生洛伦

5、兹力诱导流体的在壁面按一定方式布置电磁极板，以对其附近流过速度增量随着电极两端的电压和频率的增加而增的导电介质施加洛仑兹力作用，因洛伦兹力为体积加，但电能向机械能转换的效率大约为10一，其对力，其大小与方向可以根据实际需要进行调控便槽道湍流摩擦力的最大的减阻率为10％．梅栋杰}重点实验室基金资助(批准号：9140c30O206120c30l10)和中央高校基本科研业务费专项基金资助(批准号：30920130111013)资助的课题．十通讯作者．E—mail：baomingli@vip．sina．com◎2014中国物理学会ChinesePhysicalSocietyMtp：／／wulixb．h

6、y．ac．cn034701．1物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．3(2014)034701(d)NL=o．7，Uo=1．6m／s图9相同功耗的洛伦兹力作用下翼型流场变化图0．400．35O·30(了0．250．20O．150．10t／s图10洛伦兹力作用下翼型的升阻力特性(a)数值模拟结果(NL=5，=20。，Uo=0．6m／s)；(b)实验结果(V=6V，a=20。，Uo=0．1m／s)图11相同功耗洛伦兹力控制不同来流速度的翼型升阻力特性(a)(NL=7．2，=20。，Uo：0．5m／s)(b)(ⅣL=2．81，=20。，Uo=0．8m／s)的厚度逐渐增加，前缘的滞止点

7、逐渐向上游移动3．2升阻力分析(图9(b)，(c))，当来流速度增加到1．6m／s附近时，该功耗的洛伦兹力开始无法控制翼型的流动分离，图10为洛伦兹力作用下的翼型升阻力力特性在翼型的背风面前缘形成前缘涡，而后缘则有后缘变化曲线，其中实线为升力变化曲线，双点划线为涡产生，边界层厚度增加(图9(d))．阻力变化曲线，图10(a)为数值模拟结果，图10(b)034701．6物理学报ActaPhys．Si