四涡系统构建及其特性的实验研究

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstrOnauticaSinicaMay252015V01．36No．51491-1499ISSN1000—6893CN11-1929／Vhttp：#hkxb．buaa。edu．cnhkxb@buaa．edu．cn四涡系统构建及其特性的实验研究鲍锋*，朱睿，刘志荣，何意厦门大学物理与机电工程学院，厦门361005摘要：飞机尾涡是与升力相关的固有流动现象，威胁着机场附近的飞行安全，同时也限制了机场使用效率。在矩形机翼翼尖以一定方式安装涡流发生器，产生与主涡旋向相反的小涡，来构建一种具有自

2、我消散机制的四涡系统，能实现尾涡集中能力的快速消散。结合流动显示和粒子成像测速(PIV)测量，探索了在不同的参数匹配下，下游25个翼展范围内该四涡系统的空间发展过程、涡量发展曲线，以及45个翼展范围内主涡环量的衰减程度。实验结果表明，受小涡诱导，尾涡出现了相交不稳定性，主涡提前破裂，涡量随之降低。当小涡和主涡的初始环量比为一0．581、初始距离比为0．5时，45个翼展范围内，主涡环量衰减34．7％。该实验结果为低尾流机翼的设计提供了一定的参考。关键词：四涡系统；飞机尾流；涡流发生器；流动显示；PIV中图分类号：V211．76文献

3、标识码：A文章编号：1000—6893(2015)05—1491—09飞机尾流也称为飞机尾涡，是飞机在获得升力的过程中伴生的漩涡运动，具有大尺度、高能量、自然消散时间较长等特点。当后续飞机误入前面飞机的尾流区时，机身、机翼动态载荷急剧变化，出现不可控的滚转力矩，严重时会导致飞机结构强度破坏，出现机毁人亡的惨剧[1]。为了避免飞机之间的尾流遭遇，国际民航总局(ICAO)根据前机和后机的最大起飞质量，规定了飞机在起飞、巡航、靠近和着落环节必须遵守的安全间距[2]，有效地控制了尾流遭遇的发生，保障了航空运输的安全性。但随着民用航空运输

4、业的发展，机场的吞吐需求量逐渐增大，而安全间距的引入在一定程度上限制了机场的运营能力。因此，大飞机尾流的控制研究具有十分迫切的现实需要。自20世纪70年代初起，大飞机尾流问题渐渐引起关注。1970年，Crow[3]从理论上首次解释了飞机尾流的自然消散机制；1974年，Bras—hears和Hallock[4]研究了地面效应对涡系发展的影响，建立了飞机尾流的地面消散模型；同年，Bilanin和Snedeker[51首次引入了四涡系统的分类图，指出涡系的运动规律取决于涡系间的初始相对环量和相对位置；1975年，Donaldson和B

5、i—lanin[61系统地总结了早期学者对尾流形成、发展和消散各阶段的分析成果，为后续研究奠定了基础。随后十多年间，美国国家航空航天局(NASA)[7-9]和美国联邦航空局(FAA)[1叼对尾流的形成、消散和安全间距做了大量的测量工作，以优化新机型设计和引入尾流间隔标准。1997年，Crouch[1u从理论上研究了同向四涡系统的不稳定性；1999年，Rennich和Lele[121推导出了反向四涡系统的稳定性方程，并利用涡线方法和数值模拟分析了该四涡系统的扰动增长率问题。2000收稿日期：2014—10—24；退修日期：2014

6、-12·29；录用日期：2015—01-09；网络出版时间：2015．01—1916：15网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／111929V．201501191616001htmI基金项目：国家自然科学基金(11072206)*通讯作者Tel．：0592-2184789E．mail：fbao@xmu．educn弱角格式}BaoF，ZhuR。L

7、uZR。etal．Four-vortexsystemreconstructionandexperimentalstudyofitswarefeaturesEJf

8、f；ActaAeronauti．CaetAstronauticaSinica，2015·36(5)：1491-1499．鲍锋．朱睿．翱志荣．等i四涡系统构建及其特性的实验研究￡Jji航空学报．2015，36(5)：1491．1499航空学报May252015V01．36No5年，Fabre和Jacquin[1胡对满足稳定性方程的反向四涡系统做了进一步分析，指出主涡的长波不稳定性可被小涡有效地激发。2002年，Gerz等口“总结了飞机尾流控制中最有可能的两种学术思路：一是增大尾流形成之初的涡核尺寸，以降低飞机遭遇尾流时的受载力矩，

9、例如，将发动机喷出的乱流引入尾流[15。163或安装翼梢小翼[17。183；二是利用涡系间的相互作用来增大尾流不稳定性的增长因子，以提高尾流消散速度。文献[19]～文献E213利用反迎角安装的水平尾翼构建了四涡系统，较系统地研究了相交不稳定性。还有些研究人员在矩