翼型动态失速DBD等离子体流动控制的数值模拟研究

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1、第40卷第3期2010年5月航空计算技术AeronauticalComputingTechniqueV01．40No．3Mav．2010翼型动态失速DBD等离子体流动控制的数值模拟研究宋科，杨旭东，乔志德(西北工业大学翼型叶栅国防科技重点实验室，陕西西安710072)摘要：进行了翼型深度动态失速及基于DBD介质阻挡放电等离子体激励器的流动控制技术数值模拟研究。将激励器对流动空气的作用以彻体力源项形式加入N—S方程。通过数值求解此N．S方程，研究了DBD激励器对NACA0012翼型俯仰运动深度动态失速的控制作用；研究了DBD激励器工作方式对动态失

2、速平均气动力、气动力迟滞曲线的影响。提出了控制效果较好的激励器工作方式。关键词：动态失速；流动控制；DBD等离子体激励器中图分类号：V211．41文献标识码：A文章编号：1671．654X(2010)03—0005—04引言翼型俯仰运动动态失速常发生在直升机旋翼后退桨叶上。厚度不大的翼型上仰至大迎角时，开始在前缘【l。2o产生动态失速涡，涡掠过翼型上表面时，能显著提高翼型最大升力；而当涡脱离翼型后缘流向下游时，导致升力急剧下降、阻力与低头力矩急剧增大的陡峭失速。削弱翼型动态失速的高阻力、大低头力矩，同时尽可能充分利用其动态涡升力，对提高直升机旋

3、翼性能具有重要意义。动态失速涡的产生与发展，主导了动态失速的流动形态与气动特性。在较高雷诺数条件下，翼型前缘逆压梯度和激波诱导分离是可压缩动态失速涡形成的主要诱因一J。基于这种论点，国内外陆续提出了几种动态失速流动控制的方法：前缘缝翼控制、变下垂前缘控制、前缘合成喷流控制等。其基本思路是改变前缘局部流动尤其是前缘涡的产生，并进而影响下游大范围分离流动，达到流动控制的目的。上世纪90年代以来，国内外开始了等离子体在减阻、分离控制等方面的实验研究H。6J，取得了一些振奋人心的实验结果。但是关于等离子体诱导空气流动的机理，仍然没有完全阐明。文献[7]

4、等将等离子体影响空气流动的方式归纳为：碰撞效应、温升效应、化学反应效应。其中占主导地位的，带电粒子对中性粒子的碰撞效应，较好地解释了等离子体流动控制实验中观测到的加速流动、延缓分离等现象。近几年，一种等离子体发生装置——介质阻挡放电(DBD，dielectricbarrierdischarge)激励器已经成为流动控制最有潜力的平台之一，它具有体积小、重量轻、结构简单、便于安装、功率易调节、对飞行器外形影响小等优点。DBD激励器用于分离控制的相关研究，多集中在静态失速方面，而动态失速方面较少，最具代表性的是Martiqua等人开展的翼型低雷诺数动

5、态失速流动控制实验研究旧j，Martiqua根据动态失速涡产生与发展的特点，研究了若干种激励器工作方式，使动态失速的升力、力矩特性获得了明显改善。Martiqua的研究结论是在低速条件下获得的(实验风速仅为lOm／s，基于弦长雷诺数仅为77000)，而直升机旋翼动态失速具有更高马赫数与雷诺数。本文采用数值方法，在更高的马赫数与雷诺数条件下(Ma=0．2，Re=1×106，处于直升机旋翼的工作范围之内)，探讨了基于DBD激励器的翼型俯仰运动深度动态失速流动控制问题。研究了DBD激励器对动态失速升力、阻力、低头力矩等气动特性的控制作用，以及更高效的

6、控制方法，可以为直升机旋翼设计提供有益的参考。1DBD等离子体激励器DBD等离子体激励器的原理是：飞行器局部表面覆盖电介质层，布置暴露于空气与埋人电介质层的一对电极，施加高压交流电，两电极之间的空气在高电压条件下击穿放电，产生等离子体，并对空气产生诱导效果(图1)。DBD激励器具有较宽的工作范围，通常电压为5一lOkV、频率为1—10kHz，可以将多个激励器收稿日期：2009—12．28修订日期：2010—03．23基金项目：国家自然科学基金资助(90605004)作者简介：宋科(1980一)，男，河南安阳人，博士研究生，研究方向为计算流体力学

7、。·6·航空计算技术第40卷第3期联合使用，以便获得更高的诱导速度。本文只考虑单个激励器的情况。图1DBD激励器2数值方法2．1DBD激励器物理模型正如基于连续介质模型而导出气体流动的控制方程一样，为了描述DBD激励器对空气的作用效果，需要建立相应的物理模型。大多数激励器模型都是从流动控制实验现象出发，给出电场与电荷的近似分布，并利用彻体力来模拟激励器对周围流动的影响。文献[7]列举了现有的各类模型，本文采用其中Suzen的模型一J，其核心是构造与求解外加电势、电荷密度方程。外加电势方程Y2西=0(1)电荷密度方程V■。=p。／(A2D8，)(

8、2)其中，占，为相对介电常数，A。为德拜长度。单位体积内，电荷在外加电场中产生彻体力为五=p。E=p。(一V咖)(3)外加电势方程在空气与电介质区域都