（控制理论与控制工程专业论文）翼型失速的电磁力控制.pdf

t 肠 p r oj ect r e g ar d s asa p art ofthe dom ai 血ofel e c tr o m a gn雨c 月 u l dcon tr o l . 1 、 e c 。 址 印 1 】 in g e 任 ec tsofn ow p ast h y 山 ro fo i l and si 祀 c l al l y h y 山 ro fo i l 别 冶 1 1 初thel e c trom a gne t l c bodyfo rc es ( l o r e n tsfo r c e ) b a d h 笼 n 加 v e stig a t e d ine x 州加e ntat l oil b as ed on th et w o -d 汕e 拙1 0 . 目 ， m c o m p r e s s i b l e助dd 加e ns1 o 川 e ss n a v l er-s t o k e s e q uatl ons andequ a t i ons ofe l ectr o m 处 贝 d l cfield明dh y drod y 招 双 ni c s ， 此 di st ri b u t in g d 以 口 c t e ri 拓c ofth e el e c t ro m a gne t i c fi eld 助d th e el e c tromagne t l c force onth e s 切 悉 双 c of e 】 ec住 ，o . m a 即e t i ca c to at o r b aveb een o b ta in e dby n 四 叮 e n cal s l m ul at l ons . 1 七 efl ow fi el d 留 。 朋d h y d r o fo i l mod i 五 c at i o n p n x 姆 s s l n g ， the c o n tr o l 】 i d g e 月 免 c ts ofv o rt e x s upp r e s si onand d la g r edu c ti o n h ave h 笼 n c o n d u ct edand di s cuss edine v i d e n 沈. t b e e x p 朴 e n t alc o n 。 勺 1 叮 就 e m sare b as ed on d s pc hi pt ms 3 2 0 f 2 8 1 2 ， 由 emov 。 口 e nio f b y dr o fo i l andthe p ar ame t e r s ofe x pe山 训 以 i o n n la ybes 面u 1 a t edp r a c t 1 c al 1 y，an d the e x p enm e d ta 1 re s u 1 ts m aybegot easilv. t 七 e e ffec tsofd i 月 免 r e n t at ta c k ang l e ， d i 月 免 re ntre”o l dsn u m ber 胡 d di 月 免 r e nte le c tr o m a gne 石 c fo r c e m a g 山 加 d e onth e b o unds叮l aye r st ruc 饥 双 e 抽v e beellt ake n 云 n o别 父0 刊 吐. b ycom p a r e dwith e x pen m e 川 习 re su l t s ， 俪 re 那 叮 比 r 叫 u ir e m er lts and枉 is ks m e n t l o n eda b o ve、 v e 了 e ana 】 y z edand di scuss ed. t 七 e c o n c lusio nso b ta i n e d are asfou o 、 v s : 1 . 了 七 e fo r c e s wl1 1 chbog e n e r at e d b y th e el ec。 o ma即e t l c fi eld andl o c al i欢daround the h y d ro fo ilsu t 触 c ep r e s ent per i o di c pul s at i l edi 而b u t i ng andr 即i diy att即u a t l n gat n 叨刀 目to wall d ir ec石 0 几 2 . t 七 e con tr o l s y st e mcan 别 戏 1 5 斤初山b as i c r e q p u ofe x pe丘 m e n ta t i o n . t b e c o n tl 习 1 p r ec i s 1 0 n o f at ta c k angl e g e t s too .9 o. 3 . t b eelec trom a gnet i cbo勿 角 r c e sc an o b v 1 0 usl yu n p r o v eth ebou n d 山 了l a y e r 成 山 c 加 祀阳ds u p p r e s s the b o und ary l 叮e r s epar at l 叽 下 也 劝 即加r e ， 也 e el ec tromagne t i c 几 n 沈p r o vi d e s 析ththe e 场 ec t lv e a 月 七 cts for m c r e as m g 山 亡 皿 伪 戏 沁 s ofth e b y d r o fo i l and 印刀 七 。 l ling 此 h y dr o fo il st al l t h e爬 s e ar c hc o n c lusi o ns m a ybe p ro vi d e d朴以 拌d 口 .因 evid enc e sfor 加 v e s t l g at 1 0 n ofthe m ec h 别 面 sm ofn ow p ast hyd r o fo i l 初thel ec tr o magne t l c body fo t c e s 叨叮 吐 。 u 吨 . k e y w o rds: 伪r c e c o nir o l ，f l ow hyd r o fo il s ta l l ， n 侧 m e ri 叼 s li n u l ation， d sp b o u n d a ry l a y e 几 c o n tr o l sys t e m 图表目录 图2 ， 1 ， 1翼型体的边界层分离示意图 . ，” .， ，. “ . .，. . ，. . . 。 二 ” ” ， ， ，. 一 “ . . 6 图2 . 1 ， 2分离点附近的速度分布图. ” 二 ， .” . .” . ， - . . . - . . .， . . “ . . 7 图2 . 2 . 1电 磁力连续控制圆柱绕流态实验结果 : ，. . . . . ” ” ，. . ， 二 ” .“ . . 9 图2 . 2 . 2电磁力连续控制圆柱绕流态数值模拟( 涡量图) . ， 一 ， . 。 。 “ . . “ . 。 “ “ 二 9 图2 . 2 ， 3电磁力导致的圆柱表面的阻力变化. .- . ” . . ，. - . . . ” . ” . - . .9 图2 . 2 . 4电磁力对圆柱振动的抑制. . ， . . . . -. . . . . . . . ，. . “ :.“ . . . . . . 9 图22 . 5升力作用下，圆柱在流动法向的振动. . - ” . . . . -. “ “ . ， . . - . . . 9 图3 ， 1平板交错分布的电磁场产生l orentz力。. . . . . - . . “ ” ” . 。 :. ，. . . .- .12 图3 . 2电场和磁场的数值计算区域示意图” . . . . . . . . . ” . . . . 。 . -” 14 图3 . 3电磁场的数值计算结果. . . . .” . . .，. . . .“ . ” . .，. “ . “ . ” ” :. 17 图4 . 1 ， 1实验系统的结构原理示意图 ，. :. ， . ， . ，. 。 . ， 一，. . . . . 一。 。 . ” . 18 图4 . 3 ， 1主电路板实物图. . . . . . . . ” :.，. . ” . . . . . . .” .， . . . . . . ， . . . 21 图4 . 3 . 2主电路板的原理框图” . 。 :. ，. . ” . . . . . . . . . ” . “ . . . ” . . .22 图4 . 3 . 3运行矩频特性“ . ，. :.“ . . ” . ，. :. ，. . ” . . . . . . . . ， . ，. . .24 图4 ， 3 ， 4启动频率 特性. - . .，. . . . . . . . ” . . .“ . ” . ， . ， . . . . . . ，. ，. .24 图4 。 3 ， 5电机驱动器方框图二 “ :.。 . . . ” . . . “ . . . . . . . . . . . 一 25 图4 . 3 . 6电机接线示意图，. 二 ” ” ，. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . “ . “ . . . ， 2 6 图4 ， 3 . 7电压对力矩的影响 一 ” ” . . ” . ，. . - . . . . . . . . “ ，. . . ，. :. 26 图4 . 3 . 8电机控制系统实物图.，. . ， . . . . .” . . . . . . . ” . ， . . “ ， “ . 27 图4 . 39台架和电机连接装置照片 ” . . “ . ”.” “ . . . .，. . 2 7 图4 . 3 . 10 包覆电磁激活板的翼型体 . . .” “ “ . . . . . . ， . . . . . . . “ 28 图4 ， 4 ， 1水槽实验系统实物图，. . . . . . . . . .” ” . . . . . . . . . . . .- . . . . . . . .， 二 ” :. 30 图44 . 2流场显示装置 . . .“ - . . . . . . . . .” “ 一 ，. . . . . ” “ . -” . . . . . . . . 一 ” . . 31 图4 . 4 . 3激活板驱动电源. ，. . . . . . . . . . ” . “ . “ .“ . . . . . . . . “ ， . . .， . ，. . :.31 图4 . 5 ， 1 测力系统结构图. .， ， . - . . ，. ，. ” ， . ， . . “ . ， ， . . . . ， 一 . . . . - . . 31 图4 . 52直流电桥示意图 . .” . ” . . “ . ” .- ” ，. . . . . . . ” . . . . . . . . . ” . 一犯 图4 . 53应变传感器及连接杆图.。 . . . ” ” . 一，. . . ” “ . ，. ” :.” . “ ” 。 “ . .33 图4 . 5 . 4测力系统实物图” 二 “ 二“ . . . “ “ . . . . . . . “ . . . . . . . . . .，. 34 图4 . 6 ， 1 实际控制系统照片二 ” . ” . “ . . . . ” 二 ， . . . ” ” ” “ . “ :. ，. . ” . 35 图5 . 1 . 1软件程序结构 . ，. “ . . . .- 一，. . . . . . . ，. . . ” . . . . . 一 ，- . “ . . . . . . . . 36 图5 . 2 . 1翼型实验控制界面。 ， .- ，. ，. 。 . . .” ” . “ . . ” . ” . ，. . ” .“ 二 ” ._ 二 ， 38 图5 ， 3 . iccs 开发周期划分， ， . ，. ，. . . ，. . . ， . :. ” ， ， 一， “ 二 ” . ” 一 ” . . 40 v 图5 . 3 . 2下位机程序结构图 . . . . . ” . . ” . “ “ . . . . . . . . . . . . 一 ” . . 一， ， . . ，. . . 42 图5 ， 3 . 3通信和控制程序框图， . 一， ，. “ .， . “ “ . . . ，. . ，. “ ” “ . . . ， . . 43 图6 . 2 . 1未加电 磁体 积力时的翼型绕流过程一” . ” . “ . . . ” . . . ” :47 图6 . 2 . 2翼型绕流消涡的动态过程. .， .” . . . . . . . 一 ， . . . ，. “ “ . ， . .48 图6 . 2 . 3加反向电磁体积力时的翼型绕流 . ” 一 “ . . . . . . . . . 一，- . .- ， ， ， . “ 4 9 图6 . 3 . 1未加电 磁力的翼型等速上仰过程. ” ” . . . . . . . . . . . . . . . ” . ” ” ” . 50 图6 . 3 . 2加电 磁力翼型等速上仰的过程. ，. . . “ . . . ，. . ， .- . “ “ . “ :.“ “ :.51 图6 . 3 . 3翼型等幅摆动过程二 ” . “ ， . “ . 一 ， “ 二 ” “ . ” . . 二 ，. . . . . ” . ， “ :.52 图6 ， 4 . 1正向l orentz力对翼型升力的影响， :.“ . . . ” :.“ . “ . . ，. :，- . . 53 图6 . 4 . 2正向l ore ntz 力对翼型阻力的影响. .- . . . . . ” . ” ，. . . . . . . . . . . . . . . 54 图6 . 4 . 3不同 雷诺数的升力变化曲线. . . ” . ， . . ” . ” 二 ” “ ” 二 . . . . .“ . . . 56 图6 . 4 . 4加不同l o r e ntz 力的升力变化曲线 ，. t ” ， . ， . ” . “ . . ” . ， . . . - . .一 57 表 5 . 2 . 1控制命令字. .” “ . . ” . . . .” . ” . . . . . . . . . . . . . . . .“ . . . . . . . ，. . . 39 表 5 . 2 . 2运动方式编号，. . . . . . . - . . ，. :. “ . ，. . ，. :.，. . . ，. . . 39 表6 . 4 . 1雷诺数r 于1300的升力测量数据， ，. . . .，. . .，. 二 ，. . . ，. ， . ，. . ， . . 54 表6 . 4 ， 2雷诺数re二 1 6 00的升力测量数据二 ，. . ， . ，. . . . . . . . .“ . .，. . 56 表6 . 4 . 3 不同l orentz力的翼型体升力测量数据. . “ . . .， . . .” ，. . .57 vi 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的 研究成果， 尽我所知， 在本 学位论文中， 除了 加以标注和致谢的部分外， 不包含其他人已 经发表或 公布过的研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的 材料。 与我一同 工作的同 事对本学 位论文做出的 贡献均已 在论文 中作了明确的说明。 研 究 生 豁一 斗 巡 07年 7 月 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学 位论文的电 子和纸质文档， 可以 借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内 容， 可以向 有关部门 或机构送交并 授权其保存、 借阅 或上网公布本学 位论 文的 部分 或全部内 容。 对于保密 论文，按保密的 有关规定和程序处 理。 研 究 生 签 名 : 一 斗孤- ” 了 年 7 月 日 硕士论文其型失速的电磁力控制 1 . 1 绪论 课题背景及意义 德国 物理学家l . 普朗 特于 1 9 04年首先提出了 边界层的概念。从那时起，边界 层研究就成为流体控制领域中的一个重要课题. 作用于流体边界层的电磁体积力可 以改变流体边界层的结构，因而可以采用电磁体积力来控制具有一定电导率流体 ( 弱电解质， 如海水、电解质溶液等)的绕流流场的结构。最早的有关边界层电 磁 控制的 研究 始于1 9 61年， gail iti s 等111 人首先设 计了 一种由 条 状电 极和磁极 交错布 置的电磁场激活板，并将其浸入流动的弱电解质溶液中，实验证明产生的 助化 川 比 力改变了 流体边界层的 结构。 将电 磁激活板包覆于各种运动体( 如圆柱、 翼型体等) 表面，可在运动体表面附 近的 流体边界层上形成壁面法向 呈指数衰减的 力场12 。 如 果形成的力场方向 平行于流体运动方向，可使流体加速， 从而抑制边界层分离、防 止旋涡脱落和在运动体尾部形成涡街，达到减阻、增升和消涡的目的。 翼型结构在实际应用中是非常广泛的， 翼型绕流控制机理的研究一直是研究的 热点。失速是翼型体固有的特性，它是翼型在超临界状态下流体发生分离、攻角进 一步增大而导致升力减小、阻力增大的一种流体动力学现象。 在翼型体攻角较小的 范围内， 升力随着攻角的加大而增大; 但是，当攻角加大到临界攻角时， 升力就不 再增加;当超过临界攻角后，随着攻角的再增大，机翼上表面从前缘到最高点压强 减小和从最高点到后缘压强增大的情况更加突出， 边界层分离点提前， 在翼面后半 部分产生很大的涡流，造成阻力增加，升力减小。失速包括静态失速和动态失速: 当攻角固定时的失速称静态失速( static stall)，而当攻角随时间急速变化时的失 速称动态失速( d ynamic s t all)。失速现象对于具有翼型结构的飞行器或航行器， 无论从设计和应用角度，都是要重点考虑的。例如，军机过失速机动、直升机桨叶 旋转、航空发动机的涡轮和风机叶片的颤振，螺旋桨、船舵、 舰体等的实际运动导 致的流动过程中都可能发生失速现象。失速之后的翼型体流体动力效率极低，已经 不能够产生足够的 有效升力。 例如， 对现在的飞机， 都要求在临界攻角以 下一定范 围内飞行，不允许靠近更不允许超过，以 避免发生失速尾旋等危险现象。因 此， 对 抑制失速现象发生的理论和方法进行深入研究在工程上有着十分重要的意义。 目 前的研究发现， 翼型的流体动力学特性和失速攻角在静态 ( 攻角固定) 与动 态 (攻角不断变化)时是不同的。动态失速指的是翼型体在做非定常运动时失速 现象较之静态失速延迟发生的现象。这种失速的延迟通常可以获得额外的升力增 加，尤其是当翼型的失速临界攻角推迟10一7 00 时， 最大升力系数比静态提高2 一 5 倍。 通过引 入电 磁流 体控制技术来推迟失速临界角， 达到减少阻力和提高升力的 目的， 是流体边界层控制技术基础研究的一个应用领域。 本课题是将电磁激活板包 硕士论文耳型失速的电磁力控制 援于翼型体表面， 通过产生电磁力对翼型表面的流体边界层进行控制， 对失速过程 的影响进行积极探索。 失速研究， 特别是在理解翼型失速机理的基础上， 采取特定的方法， 增加升力， 减少阻力， 提高升阻比 ， 对于各种飞行器和航行器的控制具有很重要的意义。 一方 面，可以提高飞行器和航行器的安全性和可控性，这是主要方面; 另一方面， 可以 提高推进效率和航行的稳定性， 减少燃料损耗和减轻重量以 及随之而来的经济性和 对环境方面的有利作用。 这对改进诸如飞机、 船舶以及普通弹箭等飞行体的性能是 非常有价值的。 对于战斗机而言， 为提高飞机的机动性和敏捷性， 研究飞机大攻角 过失速状态下的动态特性，一直是各国航空领域的热点研究课题。 由 上可见， 将电磁流体控制技术应用于翼型失速研究， 通过电 磁激活板产生的 电 磁体积力改变流体边界层的结构，控制翼型边界层的分离，可以 起到增加升力、 减少阻力的作用。因而， 对翼型失速 ( 包括静态失速和动态失速) 过程中的电磁力 控制机理，电磁力控制方法，控制器的设计以及控制效果等方面的研究，具有重要 的理论意义和广泛的应用价值。 i j 电磁力对流体边界层的控制技术概述 由 于流体的猫性， 飞行器或航行器运动时， 不可避免地会在猫性等阻力作用下 减速、振动和产生噪音， 从而导致推进效率减低和飞行失稳。 流体边界层控制可以 提高推进效率和飞行的稳定性， 减少燃料损耗和减轻飞行器或航行器的重量。 这对 于改 进诸如飞机、 船舶或普通弹箭等飞行体的 性能是非常有价值的。 因 此流体边界 层控制是飞行装置的关键技术。 由于考虑问题的角 度不同、 实施方式和途径的不同，流体边界层控制技术呈现 多样性，涉及到机械、生物、电子和材料等诸多方面。 流体边界层控制研究始于20世纪60年代，自70 年代起，美、苏、英、德、 法、日 等国家就己 经对如何控制流体边界层和减少边界层阻力这一问 题开始了多方 面的 研究。 流体边界层 控制技术可分为主动式和被动式两种， 被动式无需向 流场输 入能量，而主动式则需向流场输入能量。 流体边界层控制的方法很多，涉及的领域很广，有功能材料、电 磁力和等离子 等边界层控制技术。 尽管考虑问 题的角度不同，实施方式和途径不同， 但通过控制 边界层结构达到控制目 的的 基本理论应当是一致的。由于控制技术的多 样性和控制 机理的复杂性，迄今， 其理论研究进展甚微。 大部分的研究集中 在发展技术本身和 相关机理的解释上， 缺少相关的共性的理论，这对于流体边界层控制技术的发展是 一种障碍，如果缺少相关理论，将难以实施有效控制。 功能材料流体边界层控制技术是一种新型的流体边界层控制方法， 它是在材料 硕士论文具型失速的电磁力控制 学与湍流边界层理论的 进一步发展基础上建立起来的。 在过去的一段时间内，由于 对湍流边界层认识不够， 把重点放在降低物体表面粗糙程度的方法方面，从而限制 了该方法的发展. 随着湍流拟序结构的发现，以及对壁面湍流边界层内的拟序运动 的认识， 人们发现这些拟序运动中的流向 涡在壁面湍流运输过程中占 主导地位， 且 与 壁面 摩阻 息息 相关 13 ， 因 而推动了 该控制方 法的 进一步发 展。 电 磁流体边界层控制技术是一种主动式控制技术。 经典的主动式控制，向流场 输入能量的 速率不变， 称为开环控制。 而新型主动式控制， 能量输入的触发和输入 速率是可控的， 称为闭 环控制。 用于流体边界层控制的电 磁激活板可以小型化， 甚 至微型化， 将其装贴在运动体的合适位置， 通过控制器， 可实现智能化的闭环控制。 因此，电磁流体边界层控制技术的研究非常有实用价值。 早在20世纪中叶， 人们就设想用电 磁力来控制电解质溶液的流动。 近 10年来， 研究人员从应用基础性研究的角度对这方面的 课题进行了富有成效的研究工作， 希 望利用这一简单原理方便地实现控制流体绕流的形态、 消除涡流、控制噪音、减少 阻力、加速流体混合、提高流体混合均匀性等目的。 最早的有关边界层电磁控制的研究是由g 越 l iti s 等设计了一种由条状电极和磁 极交错布置的电磁场激活板，将其浸入流动的弱电解质溶液中，实验证明产生的 l o r e n tz力 改变了 流 体 边界 层的 结 构。 h enoch等 14 对这种电 磁场中 的 平板边界 层进 行了湍流应力等方面的实验研究，他们的结果显示lor e n tz力对流体边界层有消涡 的作用，同 时 可以 大大降 低压差阻力;随后， c r a w fo rd和k az a d 司 后 5 阎 利用谱元直 接模拟的 方 法 进行了 数 值 模拟验 证了 这一结果; 德国m u t sc bke 与weier等161 于1 9 97 年也进行了 相关的实验与数值模拟证实了沿流向的l o re n tz力对钝体边界层流动不 稳定性的抑制作用。 w 七 i er等将激活板包覆在圆柱两侧，对由 此形成的圆柱绕流进行了实验结果和 数值模拟。 k j l l l 等闭 讨 论 分析了 一定 包覆范围内 电 磁场激 活 板对圆 柱阻 力变化的 影 响。范宝春等对不同电 磁力分布情况下的圆柱尾流进行了数值模拟。 研究表明， 流 体边界层上的电 磁力能 连续控制圆柱绕流、 尾流涡街的 形态。 正向电 磁力具有较好 的消涡、 减震和减阻 控制效应: 反向电磁力具有明 显增涡控制效应， 具有较强的 制 动控制效应。 在流体边界层内 施加 l o r e 到 tz力的电磁湍流控制方法目 前正在新一代美国海军 核 动力 攻 击 潜 艇上 进 行 应 用实 验8 。 其 基 本原 理 是 在 钝 体 表 面 施加电 磁 场而 对流 体 边界层作用电 磁力使潜艇的前后压差降低来进行减阻。 l o re n tz力与流体边界层之间 的复杂作 用 关系已 有 不 少理 论9j 1 10 与实验 研究 成果 111-1 叱 综上所述， 通过电 磁力控制流体边界层的技术来抑制边界层分离、防止旋涡脱 落和在尾部形成涡街， 对于一切在流体中运动的器械、装置和设备，包括国防系统 硕士论文界型失速的电磁力控制 的武器装备， 都具有十分重要的意义。为实现高效推进和提高航行的稳定性， 本文 以电 磁力控制翼型失速为研究对象， 通过作用于翼型体表面的流向电 磁体积力来控 制和改变其流体边界层的结构，进而达到消涡、减阻增升和抑制失速发生的目 的。 1 3翼型失速控制研究 概况与发展趋势 失速特性是翼型 体固 有的 特性，当翼型体的 攻角逐渐接近或超过临界攻角时， 翼型体表面的流场结构发生 变化， 其动力特性发生很大改变， 直接影响整个飞行器 或航行器的稳定性和操控性。因而人们很早就一直专注于失速的研究， 特别是飞 机 机翼失 速的 研究， 则一 直伴随 着整个航空工业， 从未中 止过。 翼型的 性能 对飞 机的 气动性能具有决定性的 影响，高性能翼型的 研究是飞行器发展中的一项基础性研 究。 失速包括静态失速和动态失速， 从60年代以来，无论是数值模拟， 还是通过各 种形式的实验研究均已 表明，飞行器的动态失速特性与静态失速特性大不相同， 一 般来说， 翼型体的动态失速伴有较大的升力增量和阻力增量，同时产生较大的低头 力矩。 众多研究者利用非定常运动所产生的动态失速效应， 来延缓流体分离和失 速 现象的发生， 使之在超过静态失速的大攻角条件下， 仍能保持较高的 气动效益的 这 类既有实用价值又有理论意义的动态失速问 题进行了大量研究。 早期的研究是为了 理解和预测在直升机前飞条件下， 桨叶俯仰振荡所产生的气动现象; 随后高性能飞 机所要求的“ 失速机动” 等非常规机动能力，成为对此类问题研究的重要目 的。 近 年来受到广泛关注的处于小雷诺数范畴的 微型飞机研究， 包括固定翼和扑翼问 题， 也为动态失速问题研究提出了新的目 标。 可见， 此类动态失速问 题己 成为现代飞 行 器设计中具有重要理论和实际意义的研究课题。 由于这种复杂的问 题很难用经典的静态线性理论进行分析， 所以 研究者主要采 用 试 验11 似01 和数值 模拟 方法 121 训。 w al k er 等 对翼型等速上仰问 题进行了 大量的 试 验 研究， 给出了 大量的 试验照片和定量结果。 他指出当 攻角大于静态失 速攻角时， 动 态失 速涡的 存 在对翼型 上表面 速度和 压力 分布存在重 大影响。 j . c . 知121 1 通过求 解非 定常涡量 输运方程数值 模拟了 n a c a o o lz翼型 等速上仰的 气动特性。国内 的白 鹏 125 1 等通过数值模拟了 低雷诺数 ( re=4. 8 xl0) 条件下， n a c a00 15翼型作等速上仰 ( a= 0一 60 ) 的动态失速过程， 并同 而i k er的实验结果比 较， 验证了 计算结果的 正确性。 研究了该过程中主涡、二次涡和三次涡的发展， 升力系数随攻角变化以 及 不同上仰速度对动态失速效应所造成的影响。 近年来，国内外对于电磁流体控制技术的研究比 较活跃。圆柱绕流边界层电 磁 控制的 研究已 经有相当多的理论成果;对于翼型绕流方面，由于其研究的相关性和 实用性， 是一个值得更多研究人员进行研究的领域， 特别是将电 磁流体控制技术用 硕士论文皿型失速的电磁力控制 于提高翼型动态特性上。电磁流体控制技术带来的有利作用和翼型失 速问题研究的 重要意义决定了 它有着良 好的应用前景，随着科技和经济的不断发展必将会有更大 的发展空间。 l 4本文的主要工作 在查阅并参考大量相关国内外文献、了解该学术领域的现状及发展趋势的基础 上，充分利用前人的理论和方法， 对电 磁力在翼型绕流中的作用问 题， 特别是失速 方面进行了实验研究。 工作主要包括以下四部分: 1 .基于电磁场和流体力学的基本方程，对置于弱电 解质溶液中电磁激活板周 围的电磁场及产生的电磁力进行了数值模拟，了解其分布特征及其分布规律。 2 .翼型失速实 验控制系统的研制。 研制翼型失速实验控制系统，改变相关控制参数，模拟翼型的动态过程，满足 在不同运动状态和位置的控制要求和精度要求，为进一步实验研究提供便捷的平 台。此控制系统，总体包括四部分: ( 1) . 改 变翼型体位置和运动方式的运动控制系统; (2 ) . 稳态流场形成与控制装置: (3 )测量升力和阻 力的 测力系统; (4). 包覆电 磁激活 板的翼型体和流场显示装置. 3 .边界层分离控制的研究。 主要研究电磁体积力作用下的流场结构变化特征。 包括电磁流体控制原理、电 磁激活板的制作、电 磁激活板上的电 磁场及其产生的电 磁力的分布特征; 流体边界 层分离及其控制， 翼型 体阻力、升力的 产生和变化以 及失 速过程的 演变和抑制等。 将电磁激活板包覆于翼型体表面， 放入弱电解质的流体中， 通电后在翼型体表 面生成一定时序与空间 分布的电 磁场， 可以在相关流体边界层上产生一定时间尺度 与空间尺 度分 布的 ( m 川 t ip l e sc a l e ) 电 磁体 积力(e l e c tr o m a 卯e t i c bodyfo r c e s) ， 从而改 变 流体边界层的结构， 实 现对翼型绕流流场的有效控制， 达到控制流体边界层分离与 脱落、 消涡减阻与改善 升力特性的目 的。 调节流场显示装置， 便于观察和记录整个 流场控制过程， 包括翼型固定攻角的消涡和增涡的控制效果以 及动态过程中涡的 演 变过程。 4 .电 磁力作用下升力和阻力的变化情况及其对失速的影响。 主要研究包覆有电 磁激活板的对称翼型体所具有的流体动力特性。 通过组建应 变测力系统， 对放入弱电 解质流场中的翼型体， 通过失速实验控制系统来改变翼型 体的攻角大小 或模拟动 态过程， 对翼型体的静态失速和动态失 速过程中 升力和阻力 的变化情况进行显示和记录，分析实验结果。 硕士论文属型失速的电磁力控制 2电磁流体控制的基本理论 2. 1边界 层定义及边界 层分离 边界层理论是在20世纪建立的， 德国物理学家l 普朗特于1904年首先提出了 边界层的概念。从那时起，边界层研究就成为流体控制领域中的一个重要课题，是 流体力学中最重要的 理论之一， 它不仅应用于动量输运过程， 而且被引申到能量和 质量传输过程， 建立了 温度边界层和浓度边界层理论; 边界层也不局限在固壁附近， 它还存在于某些剪切流动层中，如自由射流等。 当流体流过物体的时候，由于流体本身的钻性， 靠近物体表面的流体的速度为 零， 而离开 物体表面一定 距离的 流体的速度则不受豁性影响， 此处的流动可以 按照 无钻来处 理。 普朗 特四( 1 9 04) 认为由 此在固 壁附 近便形 成一个从固 壁速度为 零到 外流速度的 速度梯度区， 在大雷诺数流动中该区是一薄层， 普朗 特将其称为边界层。 在边界 层内即 使流体翁性较小， 也会产生较大的 切应力， 因此薪性影响不可忽 视。雷诺数的增大，只会减小边界层的厚度，但边界层内的猫性影响总是存在的。 边界 层是一个薄层12 刀 ，它紧靠物面， 沿物面法线方向 存在着切向 速度的 梯度， 并因此而产生了豁性应力。 薪性应力对边界层的流体来说是阻力， 所以 随着流体沿 物面向后流动，边界层内的流体会逐渐减速， 增压。由于流体流动的连续性， 边界 层会变厚以 在同一时间内 流过更多的低速流体。 因此边界层内 存在着流向的逆压梯 度， 流动在逆压梯度作用下， 会进一步减速， 最后整个边界层内的流体的动能都被 猫性应力 给耗散掉， 不能再朝下游流动了， 然而远前方的还未减速的边界层还在源 源不断地追赶上来， 这样边界层离开了 物面，从而形成边界层分离。 边界层分离又称为流动分离， 是指原来紧贴壁面流动的边界层脱离壁面的现象。 边界层脱离壁面后的空间通常有后部的倒流流体来填充， 形成旋涡，因 此发生边界 层分离的部位一般有旋涡形成，如图2. 1 . 1 所示。 图2 . 11具型体的 边界层分离示意图 二维边界层分离又分两种情况， 一是发生在光滑物面上，另一种是发生在物面 有尖角或其他外形中断或不连续处。 光滑物面上发生分离的原因在于， 边界层内的 硕士论文具型失速的电盛力控制 流体因克服猫性阻力而不断损失动量， 当遇到下游压力变大( 即存在逆压梯度) 时， 更需要将动能转变为压力能，以 便克服前方压力而运动， 这种情况越接近物面越严 重。因此边界层内的法向 速度梯度越接近物面下降越甚，当物面法向 速度梯度在某 位置上小到零时， 表示 一部分流体速度已为零， 成为 “ 死水” ， 边界层流动无法沿物 面发展， 只能从物面脱离。 分离后的边界层在下游形成较大的旋涡区; 但也可能在 下游某处又回附到物面上， 形成局部回流区。 尖点处发生边界层分离的原因在于附 近的外流流速很大， 压强很小，因而向下游必有很大的 逆压梯度， 在其作用下， 边 界层即从尖点处发生分离。三维边界层的分离比 较复杂，是正在深入研究的课题。 由 上可知， 边界层要分离的根本原因是黔性的存在 ( 无翁性则没有分离现象) ， 逆压梯度决定分离条件，分离的实际发生则是由 流体质点的滞止和倒流引起的。 图2 . 1 . 2分离点附近的 速度分布图 图2. 1 .2 表示的是分离点附近的 速度分布，5 为分离点，占 为边界层厚度。 从图 中可看出， 外流的压强可透过边界层直接作用到壁面上， 在顺压梯度区，壁面附近 的流体质点将受到压力的推进: 在零压强度区流体质点靠自 身的动能克服猫性阻力 前进:在逆压梯度的区域时，由于受到逆压和猫性力双重阻力，流体会减速，直至 5 点时动能耗尽， 速度为零。 因此在后部， 在倒流流体的 挤压下， 边界层脱离壁面， 从而分离出 去，并进入主流。 通常分离点后的流体质点顺着压力梯度的方向运动， 因而沿着与外流相反的方向运动。 分离点定义为紧贴壁面的那层流体中顺流和倒流的分界点，即 分离点: 加 、 与万 一” ( 2 一 1 ) 壁面边界层分离后， 绕流物体尾部流动的结构会发生很大变化. 一般地，分离 点 后会形成稳定的 大尺度回流区， 或产生以 非恒定大尺度旋祸脱落为 特征的周期振 荡 状态， 分离点后的回 流区或旋涡区称为尾流或尾迹。 边界 层分离导 致绕流物体压 差阻力增大、飞机机翼升力减小、流体机械效率降低、螺旋桨性能下降等，一般希 望避免或尽量推迟分离的发生: 但有时也可利用分离， 如小展弦比 尖前缘机翼的前 缘分离涡可导致很强的涡升力。 7 硕士论文且型失速的电磁力控制 当飞机的机翼为对称形状， 气流沿着机翼对称轴流动时，由 于机翼两个表面的 形状一样，因而气流速度一样， 所产生的压力也一样，此时机翼不产生升力。 但是 当对称机翼以 一定的 倾斜角 ( 称为迎角或攻角) 在空气中运动时， 就会出 现与非对 称机翼类似的流动现象，使得上下表面的压力不一致，从而也会产生升力。 将包覆有电磁激活板的翼型体放入流动的弱电 解质溶液中， 当电 磁激活板被激 活后， 产生的电 磁场可在翼型体边界层内形成壁面法向呈指数衰减的力场， 沿流向 方向 加速流体边界层， 从而可以 抑制边界层分离和消除涡流， 影响翼型体表面的的 压力分布， 就能达到减少阻力， 增加升力的目 的。 1 4翼型体的失速特性 在翼型攻角较小的范围内， 升力随着攻角的加大而增加。 但是，当 攻角加大到 某一个值时，升力就不再增加了，这时候的攻角叫做临界攻角。超过临界攻角后， 攻角再加大，阻力增加，升力反而减小，这种现象叫做失速。 翼型体产生失速的过程: 随着攻角的加大，翼型体上的压力变化就不断地加大，流体的分离现象也就不 断地提前， 机翼上表面的旋涡区面积也就不断地加大。 当攻角一但超过临界攻角后， 这种分离现象就迅速提前， 使翼型体上表面充满了大量的旋涡， 升力急剧减小，阻 力迅速增大，导致实际情况下的飞行器迅速丧失高度而下落。 失速现象会造成严重的后果， 如飞机发生失速时 会发生尾旋，导致飞机失去控 制， 甚至坠毁。 但高级的特技动作中有失速这一项目，如果我们能充分地认识和利 用失速特性，这不愧为一个很好的表演项目。 电解质在电磁场中受 l o r e 钊 tz力的作用，在力的方向上被加速。因此，附着于 翼型体表面的电磁激活板被激活后， 可在翼型体附近的流体边界层中形成力场， 该 力场能够向 流场输入能量， 改变流体边界层的结构. 如果形成的力场方向 平行于流 体运动方向， 则可以抑制边界层分离和消除涡流， 防止旋涡脱落和在尾部形成涡街。 此时，一方面翼型体的受力发生变化，表现为压差阻力减少，升力增加;另一方面 间接改善了翼型的失速特性，改善了 可控制性。 2. 5本章小结 本章主要介绍和分析了 有关边界层的定义， 边界层分离以 及电 磁流体控制原 理，翼型的阻力、升力和失速特性。 本章知识的介绍为后面的数值模拟和实验装置 的研制提供了理论依据。 硕士论文皿型失速的电磁力控制 3流体边界层上电 磁力的分布特征 在电 磁场中，当正电 荷的运动方向( 即电流方向) 与磁场方向垂直时， 它所受的 最大电 磁力f 田 a x 与电 荷的电 量q与速度v 的大小的乘积成正比，但对于稳态磁场 分布中的某一点来说，比 值f 山 a x / qv是一定的。 对于磁场中的不同点， 这个比 值有 不同的确定值，我们把这个比 值规定为磁场中 某点的 磁感应强度b 的大小，即b = 而a x / qv。由 此可以 看出 ，电 量为q 的正电 荷， 在均匀磁场中以 速度v 垂直以 磁场 强度为b 运动， 它所受到的 磁力为f id a x = b q v ，根据矢量积的定义，将这个力称为 洛伦兹力f ， 洛伦兹力f 的方向垂直于运动电 荷的 速度v 和磁感应强度b 所组成的 平面， 且符合右手螺旋法则。 gai l i t i s 等人设计了由条状电极和磁极交错布置的电 磁场激活板， 并将其浸入流动的弱电 解质溶液中， 实验证明产生的lorentz 力能够 改变流体边界层的结构。图3 . 1 为电磁激活板的结构示意图: 幻翻幼翻 日. “1 抽曰- . . 今 卜 .七 触回匕 d .1 姗一 . 今 r = j 父 b 图3 . 1平板交 错分布的电磁场产生l ore ntz 力 将永久磁极和电极按图 3 . 1 所示的极性依次排列，按照右手螺旋法则，受到 的l o r e n t 么 力的方向 垂直于运动电 荷的速度v 和磁感应强度b 所组成的平面 ( 如图 3 . 1 所示)，边界层将会受到沿流向的电磁力f 的作用。 3. 1控制方程与电磁场方程 二维情况下，电磁力控制流场流动的无量纲形式的控制方程可以简化为 ( n av i cr-s t o kes 助u at i on) 128 荆 即。 ， 。 十吸 厂