应用协同射流控制的临近空间螺旋桨高增效方法

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSin／caJun252014Vol35No61549—1559ISSN1000—6893ON11—1929／Vhttp：／／hkxb．buaaeducnhkxb@buaaeducn应用协同射流控制的临近空间螺旋桨高增效方法朱敏，杨旭东+，宋超，宋文萍西北工业大学翼型叶栅空气动力学国防科技重点实验室，陕西西安710072摘要：基于雷诺平均NavierStokes方程与多块搭接网格技术，数值模拟了协同射流(CFJ)翼型及桨叶的黏性绕流，分析

2、了cFJ技术的增升减阻效果及工作机理。研究了cFJ的功率及效能比的分析方法，量化分析了cFJ的能量利用率。开展了喷口大小、喷口动量系数等参数对CFJ翼型性能的影响规律研究，并在此基础上开展了应用CFJ的临近空间螺旋桨高增效方法研究。结果表明：数值模拟结果与实验值吻合良好，在不同状态下，CFJ控制技术均能显著改善翼型气动性能。其中，最大升力系数提高了60％～130％；阻力系数降低了100％～440％，部分小迎角工况甚至出现负阻力系数，升阻比显著提高；翼型失速特性明显改善，失速迎角提高了近10。；能量利用率

3、高，效能比可达440％。最终，在最优参数条件设置下，采用基于CFJ控制技术的临近空间螺旋桨可提高效率5％以上。关键词：流动控制；NavierStokes方程；螺旋桨；协同射流；喷口动量系数；临近空间；效能比中图分类号：V211．3文献标识码：A文章编号：1000～6893(2014)06154911随着航空、材料等科学技术的不断发展，高空飞艇凭借平流层稳定的气象条件和良好的电磁特性，在通信、遥感、预警等领域有着广阔的应用前景，是目前国内外研究的热点。与传统飞机螺旋桨相比，高空飞艇螺旋桨工作于大气密度不到

4、海平面10％的高空，且由于直径较大，虽然工作状态雷诺数较低，但桨尖马赫数却能达到0．6以上。针对高空飞艇螺旋桨工作特点，传统的翼型优化设计手段虽然能取得一定程度的性能提高，但是很难满足高空飞艇螺旋桨的需求。因此，为满足高性能高空飞艇设计要求，流动控制技术是最有希望的途径，它能够带来显著的性能提升以弥补传统设计手段的不足。流动控制技术是利用流体问流体动力的相互作用，通过改变局部流动达到控制和放大流动信号的一种技术口]。传统的飞行器流动控制方法有缝翼、襟翼、涡流发生器、边界层吹吸气等，但会带来非预期的寄生阻

5、力或复杂的移动部件、通气管路、发动机推力和效率的损失等问题‘⋯。而近些年新兴的流动控制技术，如合成射澍3。41和等离子体‘5。81等流动控制技术，虽然能改善上述问题，但皆因激励器能量偏低而无法适用于大尺寸高速度流动。协同射流(CoflowJet，CFJ)流动控制技术是近几年由国外Zha等提出的流动控制技术新概念[9。1“。所谓CFJ流动控制技术，指的是在翼型上表面前缘负压区开口进行吹气，在后缘高压区开口进行吸气，在翼型内部布置泵和管道，将吸入气体输送到喷口处，从而保持吹气量和吸气量相等，实现气流的循环。

6、CFJ技术能较强地抑制流动分离，改善失速特性，显著提高升阻比，能量利用率高，对推进系统造成的动力损失很小。由于管道和泵均埋在结构内部，使得其可靠性较高，收稿日期：2013—09—12；退修日期：2013—11—27；录用日期：2013—12—16；网络出版时间：2014-01—1717：13网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／S1000—689320130492html基金项目：国家自然科学基金(11272263，11302177)*通讯作者Tel：029—88491419E-m

7、ail：xdyang@nwpueducn争惩格式ZhuM，YangXD，Songc，etalHighsynergymethodfornearspacepropellerusingCO．flowjetcontroojActaAeronaut／；caetAstronaut，caSin／ca，2014，35(6)：1549—1559朱锨，杨翘东，宋超，等应竭协商射流控铂的临近空间螺旋桨高增效方法!Jj航空学报，2014，35(6)：1549—15591550航空学报Jun252014Vol35No6对气动结构

8、破坏极小，因而适用范围较广。随着电机小型化高功率化技术的发展，CF]技术具有一定的实用价值和应用前景。本文借助计算流体力学(CFD)数值模拟手段，结合国外模型实验，研究并发展了CF]翼型的黏性绕流数值模拟方法，进行了CF]技术的增升减阻效果研究，并深入探讨其增升减阻机理；开展了喷口大小及喷口动量系数等参数对CF]翼型性能的影响规律研究；在课题组开发的低雷诺数临近空间螺旋桨专用翼型系列基础上，开展了基于CF]翼型的喷流参数优选工作和基于CF]