论文摘要：细长三角翼摇滚的流动特性及机理研究

       高机动性高敏捷性是现代战斗机必备的飞行性能，飞机的机动动作往往是通过大迎角甚至过失速飞行来实现的，所以高性能作战飞机必须具有优良的大迎角空气动力特性。然而，当飞行器进行大迎角飞行时，其绕流将呈现复杂的分离、旋涡以及涡破裂等非线性流动现象，这些现象往往会引起纵向及横向的不稳定，从而诱发飞行器产生一系列不可控的非指令运动现象，机翼摇滚现象便是一种常见的大迎角非指令运动。能够引起机翼摇滚的几何布局有很多，由于细长三角翼的摇滚形态单一，没有翼身流动之间的干扰，因此基于三角翼模型研究机翼摇滚的流动机理。本文通过风洞实验的方法分别对70°、80°及85°三角翼的自由摇滚运动特性及绕流结构随迎角的演化规律进行了研究，并针对摇滚区研究了细长三角翼绕流结构在摇滚过程中的动态流动特性，揭示了细长三角翼机翼摇滚的流动机理。

       自由摇滚实验研究得到了三个不同后掠三角翼模型在不同迎角下的自由摇滚运动特性：70°三角翼全迎角范围为非摇滚区，80°三角翼的摇滚区范围是20°~60°，85°三角翼的摇滚区范围是19°~55°，摇滚形态主要为类正弦的规则单极限环振荡，可见机翼摇滚只在大后掠大迎角条件下发生；初始释放滚转角对机翼摇滚的最终稳定状态没有影响，而风速只影响摇滚的实际频率，对减缩频率、振幅及平均位置几乎没有影响。

       80°及85°后掠三角翼绕流结构随迎角增大可以分为四个区，分别是对称流动区、非对称涡区、非对称涡破裂区及完全破裂区；70°后掠三角翼绕流结构随迎角变化可以分为三个区，分别是对称涡区、时均对称涡破裂区以及完全破裂区；对比自由摇滚运动的迎角分区发现，机翼摇滚只有在非对称涡和非对称涡破裂区发生；非对称涡只有在模型足够细长迎角足够大的条件下才会产生，非对称涡的形成是由于前缘涡随着迎角的增大不断发展壮大，使得其在模型背风面所需的空间也不断增大，当三角翼足够细长时，背风面空间不足以两侧前缘涡进一步发展壮大，从而两侧前缘涡相互“拥挤”，使得流动结构变得不再稳定，从而模型加工公差引起的微不对称会触发前缘涡发展为非对称涡。

       在对称涡区，零滚转时细长三角翼前缘涡流动是对称的而且稳定的，对人工扰动没有响应。非零滚转角时，对称涡演化为非对称流动，该流动是由于边界条件不对称引起的，与流动结构不稳定引起的非对称涡不同。

      在非对称涡区，零滚转角时细长三角翼非对称涡对头尖部加工公差内的微扰动非常敏感，两个设计外形和大小完全一样的头部模型，其非对称涡类型截然不同，表明细长三角翼的非对称涡流动为不确定的，为解决模型头部加工公差内的微不规则几何扰动带来的不确定性，在模型头尖部设置人工扰动，当选择合适的扰动大小及粘贴位置时，人工扰动可以消除由头部微不规则几何扰动引起的流动不确定性。实验结果表明，在头尖点处粘贴0.2mm直径的人工扰动可有效触发非对称涡，当人工扰动处于迎风面左侧时非对称涡为左涡型，处于迎风面右侧时非对称涡为右涡型。非零滚转角下，非对称涡型由滚转角确定，正滚转角为右涡型，负滚转角为左涡型，但由于滚转条件下非对称涡仍然是流动结构不稳定引起的，此时非对称涡诱导的气动力与人工扰动仍有一定的响应关系。

      在非对称涡破裂区，细长三角翼前缘涡破裂的非对称特性由非对称涡类型确定，低涡首先发生破裂。零滚转时，自然扰动下由于非对称涡类型的不确定导致了非对称涡破裂的不确定，利用人工扰动对非对称涡的确定作用，进而可以确定非对称涡破裂类型，人工扰动置于左侧时，左侧前缘涡首先破裂，扰动置于右侧时，右侧前缘涡首先破裂。非零滚转条件下，由于非对称涡型由滚转角确定，从而涡破裂类型也由滚转角确定，正滚转角右侧涡首先破裂，负滚转角左侧涡首先破裂。

      细长三角翼涡破裂流动具有明显的非定常性。时均对称涡破裂流动的瞬态流动是非对称的，而且两侧前缘涡破裂点都在不断前后移动，最终两侧前缘涡沿轴向发展呈现交替首先破裂。时均非对称涡破裂流动的瞬态流动总是保持一侧前缘涡首先破裂，该侧破裂点不断前后移动，并不会出现两侧前缘涡交替首先破裂的现象。

      非对称涡在摇滚过程提供了克服迎风面阻尼所需的能量，正向回零过程中，负滚转角确定了左涡型，提供了正滚转力矩，驱动模型正向加速通过平均位置；负向回零过程中，正滚转角确定了右涡型，提供了负滚转力矩，驱动模型负向加速通过平均位置；可见非对称涡的涡型总是与摇滚运动方向同相位变化，从而起到了促进摇滚的作用。对称涡在摇滚的收敛过程中，无论正向还是负向经过平均位置时，前缘涡都向对称涡流动演化，因为对称涡流动与运动方向无关，从而不能提供足够的力矩驱动模型加速，而迎风面总是阻碍摇滚的发展，最终导致运动的收敛。细长三角翼涡破裂流动总是阻碍着机翼摇滚的发展，因此非对称涡破裂区的摇滚振幅总是小于非对称涡区的摇滚振幅，在非对称涡破裂区，破裂位置之前的非对称涡驱动了模型摇滚。当非对称涡完全破裂到翼尖，机翼摇滚现象消失。

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