机翼跨声速抖振研究进展.pdf

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1、航空学报ActaAerOnauticaetAStrOnauticaSinicaAOr．252015VoI．36No．41056-1075ISSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn机翼跨声速抖振研究进展张伟伟*，高传强，叶正寅西北工业大学航空学院，西安710072摘要：跨声速飞行中，激波附面层干扰会引起激波周期性自激振荡，这种现象称之为跨声速抖振。跨声速抖振引起的脉动载荷有可能造成结构疲劳甚至引发飞行事故，该问题一直是航空

2、领域的研究难点。本文从风洞试验和数值模拟两个方面总结了跨声速抖振研究的主要方法，重点综述了近几年在跨声速抖振机理研究方面以及结构运动对抖振响应特性的影响方面取得的新进展，简要总结了跨声速抖振的被动控制及主动控制方法。在此基础上，提出了跨声速抖振后续研究的重点方向：抖振机理的进一步探究，结构弹性特征对抖振特性的影响以及闭环主动控制等。关键词：激波；跨声速流动；分离流；抖振；气动弹性；流动控制中图分类号：V211；V215．3文献标识码：A文章编号：1000一6893(2015)04—1056—20由于跨声

3、速飞行的效率较高，大型运输类飞行器和作战飞机的巡航飞行状态多在跨声速区域。然而，在跨声速状态下，激波附面层干扰引起的跨声速抖振问题具有复杂的非定常、非线性特征，极大制约了这类飞行器的飞行包线。所以跨声速抖振问题一直是航空工程领域的研究难点和热点。跨声速抖振现象最早由Humphreys[13在1951年的试验中发现。美国国家航空航天局(NationalAeronauticsandSpaceAdministra—tion，NASA)科学家McDevitt等[21于1976年在NASA的高雷诺数风洞中对跨声速

4、抖振现象开展了比较系统的研究，其在绕18％厚度的对称双圆弧翼的跨声速流动中发现翼型尾缘存在明显的非定常、非对称的周期性分离，并且由于激波的往复运动诱导产生较大幅值的压力脉动。之后，Pearcey[3_4]、Edwards[5

5、、Tijdeman[63和Lee[7—91等对跨声速抖振的特性做了大量的研究，并试图解释跨声速抖振的机理，其中Lee等[91的工作尤为出色。他们提出一种自维持反馈模型，认为由激波运动形成的压力波向激波下游的分离区传播，并在尾缘处诱导产生向上游逆流的声波，推动激波回到初始位置，如此往

6、复形成激波和尾缘声波的反馈。其中抖振周期就是下行波从激波位置向尾缘传播和上行波从尾缘向激波位置传播的时间之和。该模型对激波和附面层相互作用引起的激波振荡和压力脉动给出了较合理的解释，并且对激波振荡频率的预测也比较准确，受到当时学术界的一致认可，对今后很长一段时间乃至现在的跨声速抖振研究仍有指导意义。半个多世纪来，跨声速抖振研究经历了三个主要阶段。第一阶段从20世纪50年代到20世纪80年代，主要通过试验手段对跨声速抖振的现象和机理进行初步研究，比较有代表性的是Lee等[7州和NASA[卜2’4。61团队

7、。第二阶段从20世纪80年代末至21世纪初期，这一阶段有关跨声速抖振的研究相对较少，也没有取得较大的突破。收稿日期：2014—08—06；退修日期：2014—08-18；录用日期：2014-09-02；网络出版时间：2014．09-1216：34网络出版地址：www．cnki．net／kcms／detail／10．7527／S1000—68932014．0213．htmI基金项目：国家自然科学基金(11172237)；教育部“新世纪优秀人才支持计划”(NcET一13—0478)*通讯作者Tel．：029

8、—88491342E·mail：aeroelastic@nwpu．edu．cn戮用辖武tZ怕ngwW．Gaoco，YeZY．Researchad、，ancesofwlng／airfot

9、transonicbufI斟￡国．ActaAeronaulIcaetAstronauticaslnIca．2015．36(4)：1056-1075。张伟伟。高传强．叶正寅．机翼跨声速抖振研究迸展[西．航空学报，2015．36(4)：1056—1075．张伟伟等：机翼跨声速抖振研究进展第三阶段是最近10年，跨声速抖振问题又

10、重新成为航空领域和流体力学的研究热点，许多新的方法和研究思路被应用到抖振研究中，这主要得益于近30年来试验测量技术和计算流体力学(ComputationaIFIuidDynamics，CFD)技术的发展，如粒子成像测速(ParticleImageVelocime—try，PIV)技术等新兴试验测量技术可以精细地捕捉激波附面层干扰的流场特征，各种湍流模型的发展使模拟附面层中的分离流动成为可能。近年来，随着数值方法的不断发展，数值模拟的精度和效