波浪条件下地效翼型气动力的环量控制研究

2022-08-25孙建红王德臣刘光远

上海交通大学学报 2022年8期

地面效应就是指飞行器近地飞行时，受地面边界的影响，气动特性发生改变的现象.充分利用地面效应，贴近地面或水面巡航飞行的高速运载工具一般称为地效飞行器.由于陆地建筑物、人类活动以及地形地貌的不利影响，地效飞行器研究和应用主要集中在水面.20世纪60年代开始，苏联先后研制并服役了多款大型地效飞行器，包括起飞质量达540 t的“里海怪物”.然而受当时技术条件的限制，复杂环境下的安全性与稳定性成为地效飞行器发展的瓶颈.特别在海面，宽广的环境便于高速飞行，但是由于海面气象环境复杂，如气流与波浪环境，地效飞行器与波浪的相对运动会造成飞行器升力剧烈变化，造成颠簸和飞行不稳定等问题，为地效飞行器操纵性能与安全性能带来挑战.

对于光滑平面地效工况下翼型的气动特性研究相对广泛.Hsiun等通过数值模拟的方法研究了雷诺数、攻角和相对飞行高度对翼型地面效应下气动力的影响.Ahmed等应用移动带进行了地面效应的风洞试验，认为下翼面与地面之间气流通道的形状是影响翼型气动性能的主要因素.Qu等进一步根据地效对翼型升力的影响，将攻角与飞行高度分为3个区间，即一个正地效区和两个负地效区.刘浩等通过数值模拟的方法研究了不同的特征参数对地面效应下翼型气动特性的影响.姜裕标等通过实验和数值计算的方法研究了地面效应对射流增升翼型性能的影响.秦绪国等分别用流体体积(Volume of Fluid，VOF)方法和固定壁面模拟波浪，研究了波长和波高对气动力平均值和波动幅度的影响规律.米百刚等通过动网格的方法对二维翼型在自由来流与地面效应的非定常运动流场进行了数值计算分析.Hu等研究了正弦波浪条件下攻角对翼型气动力的影响.当前波浪海面下对于高速地效飞行器的气动性能的研究仍然不够全面，且无有效方法解决地效飞行器稳定性与安全性问题.环量控制是一种有效的气动力控制方法，可以用于地效飞行器在波浪海面的增稳方法研究.

本文应用嵌套网格的方法，对波浪海况下地效翼型非定常流场进行了数值模拟，分别研究了不同波浪形状、攻角条件下翼型的气动特性，以及定常吹气和周期吹气方法对地效下的环量控制翼型气动力的影响.通过周期吹气的环量控制方法有效地减轻了波浪条件下地效翼型升力的波动，为高海况下地效飞行器设计与抗浪性能的评估提供了参考.

1 数值方法与验证

不可压非定常流动的雷诺平均Navier-Stokes(URANS)方程：

1.2.1 对照组采用传统教学方法即按照教学大纲要求制定和完成教学计划，每周1次小讲课，按班次及资质安排临床带教。

(1)

秦绪国等研究了不同波浪等级水面波浪和固壁波浪对翼型气动力的影响.为了验证当前工况下

2 计算结果与分析

研究对象参照典型的大型地效飞行器的巡航速度和平均气动弦长，如表1所示，地效翼型的弦长为=10 m，飞行高度为 0.25(从翼型尾缘到海面的平均高度)，速度为100 m/s，攻角为6°，基于弦长的雷诺数约为6.85×10.根据文献[17]统计的不同等级海况平均数据，选取3级海况和4级海况(Case1、Case2)下的正弦波浪研究地效翼在波浪海面下的气动特性，如表2所示.在3、4级海况下波浪具有明显的形状，且没有出现高大的波峰与不规则浪花，因此设置波浪边界为正弦波浪.同时，通过Case3、Case4与Case1、Case2算例对比，分析波高和波长对地效翼气动特性的影响.

由前期研究可知，地效环境下NACA4412翼型是亚音速条件气动性能较优的翼型，因此选用NACA4412翼型为研究和验证对象.验证算例翼型的弦长为1 m，攻角为13.87°，计算域为长和高均为40倍弦长的矩形，来流速度为27.13 m/s，温度为24.3 ℃，基于弦长的雷诺数约为1.52×10，背景网格数为20万，翼型嵌套网格为3万，网格结构如图1所示，第1层网格节点距壁面的无量纲距离约为3.图2所示为计算流体动力学(CFD)计算得到的翼型表面压力系数()分布与实验结果(EXP)和文献[16]计算结果的对比.图中：为弦长.由图可见，数值模拟结果与实验结果相近.

4种波浪形状海面下(Case1～4)翼型升力系数波动的幅度分别为7.04%、6.37%、15.25%、2.15%，说明波浪海面地效下波浪形状的波长和波高都对翼型升力系数波动的幅度有显著影响.Case3属于波高较高、波长较短的算例，波高高放大了有效迎角的变化，波长短意味着相对运动的波动频率更高.因此，Case3的算例出现翼型升力系数剧烈变化，进而影响地效飞行器的安全性.

2.1 波浪形状对翼型气动特性的影响

图4为不同波浪形状海面下NACA4412翼型在两个周期内的升力系数曲线.图中最下方的曲线表示对应时间下翼型尾缘与波浪的相对位置.在翼型与波浪的相对运动中，升力系数随波浪周期波动，会导致飞行器产生周期性的纵向浮沉响应.不同波浪形状海面下，翼型升力系数波动的幅度和趋势不同.波浪形状的波长较短时(Case1、Case3)，翼型的升力系数变化趋近于正弦曲线；而波浪形状的波长较长时(Case2、Case4)，翼型的升力系数上升的过程比较平缓，下降比较迅速.

波浪边界条件对计算结果的影响，分别采用固体壁面和液体水面的边界条件对4级海况波浪工况进行数值计算.液体水面采用VOF方法，通过引入相体积分数来实现对计算域内多相流体界面的追踪.通过两种边界(BC-WALL和BC-WATER)得到翼型升力系数()曲线如图3所示.图中：为翼型与波浪相对运动的周期，即波长/相对速度；为机翼与波浪相对运动的无量纲时间.从图中可以看出，不同波浪边界条件下翼型气动力变化的误差约为1%.为了提高计算效率，本文采用固壁波浪边界条件对影响进行分析.

(3) 若μ,ν为伪对偶测度框架, 则SμSν为Rd上正定算子, 则由广义Cauchy-Swcharz不等式: ∀Rd(不妨x≠0),

图5(a)和5(b)分别为不同波浪形状海面条件翼型在升力系数最大和最小时周围流场的压力系数分布.从图中可以看出，波浪海面与翼型的相对运动主要对翼型下翼面附近流场的压力产生影响，对上翼面的影响较小.

Ahmed等在平面地效实验研究中认为，下翼面与地面构成的气流通道的形状是影响翼型下翼面压力分布的主要因素，这种效应在波浪地面效应中同样存在.平面地效中气流通道的扩张和收缩是由翼型下翼面曲线主导的，在波浪地面效应下气流通道的扩张和收缩是由波浪曲线主导的，如图6所示.由图5可以看出，Case1和Case3翼型在气流通道呈“扩张—收缩”状时升力系数最大，在气流通道呈“收缩—扩张”状时升力系数最小.

Case2和Case4翼型在位于迎波面位置时升力系数最大，在位于背波面位置时升力系数最小.主要是由于翼型驶向迎波面的过程中，波浪与下翼面的相对运动对空气产生冲压作用，使气流的动能转换为压力势能，翼型下翼面压力升高；翼型在背离波浪运动时，气流的压力势能转换为动能，使下翼面的压力降低.

图7显示了翼型前缘和尾缘到波面的相对高度、和气流通道面积.基于前述分析，为了验证波浪位置和气流通道形状与翼型升力系数的关系，取迎波系数=/表示翼型处于迎波或背波位置，气流通道形状参数=[05(+)]表示气流通道的“扩张—收缩”或“收缩—扩张”形状以迎波系数和气流通道形状参数为自变量，、和为待定系数，采用一阶多项式拟合翼型在3、4级海况正弦波浪海面运动过程中升力系数的变化，即

=++

(2)

表3为拟合曲线的待定系数和判定系数结果，4种工况的拟合结果均大于099图8显示了基于迎波系数和气流通道形状参数的一阶多项式拟合曲线与升力系数曲线的对比，拟合曲线与升力系数曲线几乎重合，表明翼型在波浪海面运动过程中升力系数的变化与迎波系数和气流通道形状参数的变化成正相关关系.

图9为不同波浪形状海面下翼型升力系数最大()和最小()时表面压力系数分布.从图中可以看出，波高较高的波浪形状使翼型上翼面的前缘吸力峰峰值变化更加剧烈；波浪形状的波长主要影响翼型下翼面的压力变化，对上翼面几乎没有影响.对于相同的波高，翼型在短波长的波浪形状表面运动时下翼面压力变化更加剧烈.波长较长、波高较矮的波浪形状对地效翼型的气动特性影响最小.

2.2 攻角对波浪海况下翼型气动特性的影响

为了进一步研究攻角对地效翼型在波浪海况下的气动特性的影响，采用4级海况波浪形状边界条件，仅改变翼型飞行攻角，进行对比研究.

由于宾汉流体的流动存在流核，流核高度在浆液流动过程中是随着压力梯度变化的。对于C-S速凝类浆液，流体阻力较大，同一条件下，其扩散范围要比水泥浆液小的多，因此需要考虑流核高度的变化，流核高度计为2zb。

图10为不同攻角下 NACA4412翼型升力系数随时间变化曲线，翼型以不同攻角(AOA)在相同波浪形状海面上运动时，升力系数波动的相位和趋势相同.图11为不同攻角下翼型升力系数最大值、平均值()、最小值曲线，可以看出在4级海况的地效条件下，NACA4412翼型升力系数随攻角增大而增大，同时翼型升力系数波动的幅度明显增加，当攻角大于16° 时翼型开始失速，升力系数开始下降，波动幅度减小.图12为不同攻角下NACA4412翼型俯仰力矩系数最大值()、平均值()、最小值()曲线(取距翼型前缘0.25为力矩中心，其负值表示低头力矩).随着攻角增大，翼型的低头力矩增加，俯仰力矩系数波动的幅度相应增大.较小的机翼攻角有利于减小地效飞行器在波浪海面下巡航过程中的气动力波动.

试验田采用实收测产，每处理取3点，每点取67 m2实收测产，按14%标准水分计产。每处理中间取1行连续取20穗考种。

2.3 环量控制对翼型气动特性的影响

环量控制翼型(Circulation Control Airfoil，CCA)是基于康达效应(Coanda Effect)设计的一种高升力翼型，通过在翼型圆形后缘上部开缝，并沿切线喷射气流增大翼型的环量和升力，可改进飞机的机动和控制能力.图13分别为NACA4412原始翼型和CCA.环量控制翼型后缘半径为=0015，吹气口高度=0001，修形位置为下翼面075到翼型尾缘，吹气方向为翼面切线方向，并基于该翼型研究环量控制方法对翼型地面效应下气动特性的影响地面边界采用水平地面，飞行高度为 025，速度为100 m/s，攻角为6°.

受累腺体:胰岛素瘤:患者血糖值波动范围较大;胰岛素释放指数》0.4,有明显的Whipple三联征表现:患者晨起空腹出现低血糖症状,空腹血糖值为1.9mmol/l《2.8mmol/l,进食或静推葡萄糖后症状迅速缓解;上腹部MRI示:胰头、钩突处、胰颈、胰颈胰体交界处多发占位。

定常吹气和周期吹气是两种常用的环量控制方法.从吹气动量系数方程可知，通过控制吹气出口速度可以调节吹气动量系数：

(3)

式中：为气流密度；为吹气速度；为自由来流密度；为吹气口面积；为自由来流速度；为机翼参考面积.二维翼型的吹气口面积和参考面积分别为吹气口高度.周期吹气采用正弦周期吹气的方式，最大吹气速度为100 m/s，其吹气速度随时间变化如图14所示，吹气周期与4级海况波浪运动周期相同.

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升力的瞬时响应特性是非稳态流动控制的关键.Friedman等和姜裕标等分别研究了升力对于脉冲吹气环量控制的非稳态延迟响应，对于正弦周期吹气的升力响应问题的研究较少.图18为周期吹气环量控制翼型与对应时刻相同速度的定常吹气升力系数对比，可以看出周期吹气的翼型最大升力系数显著小于定常吹气，最小升力系数略大于定常吹气.应用周期吹气的方法产生升力增量的响应过程存在延迟，约为0.1倍的吹气周期(即0.1).拟合曲线为定常吹气升力系数曲线在0.2时间内的动态平均曲线，拟合曲线与周期吹气升力系数曲线基本一致.因此可以认为对于当前环量控制翼型，当吹气气流离开吹气口作用于周围流场之后，在0.1时刻对翼型气动力影响最大，在0.2之后对翼型气动力的影响基本消失.

图16和图17分别显示了吹气动量系数分别为0和0.002时翼型尾缘流线和流场速度()分布和前缘滞止流线位置，可以看出由于康达效应吹气依附于尾缘曲面流动，并带动外流场流线向下偏转，尾流下洗角增大，从而使翼型环量增加；同时射入气流与附面层低动量气流混合，使上翼面的附面层气流速度增大，前缘滞止流线下移，进一步增大了翼型升力.

此外，将Enc+Bin与免疫检查点抑制剂联合应用于治疗黑色素瘤成为研究热点。一项将Enc+Bin与pembrolizumab联合治疗BRAF V600突变的不可切除或转移性黑色素瘤的Ⅰ/Ⅱ期临床试验（NCT02902042）已于2018年4月正式启动，目前正在招募患者，将于2022年完成[24]。另一项比较ipilimumab+nivolumab联合Enc+Bin与直接应用ipilimumab+nivolumab治疗BRAF V600突变的不可切除或转移性黑色素瘤患者安全性及有效性的Ⅱ期临床试验（NCT03235245）于2017年8月获批，计划将于2018年启动，2024年完成[25]。

图15为定常吹气不同吹气动量系数下的翼型升力系数，可以看出在定常吹气的地面效应条件下，翼型升力系数与吹气动量系数成正比例关系，吹气动量系数越大，升力系数相应增大.

根据上述研究，进一步研究周期吹气的环量控制方法对波浪海面下翼型升力特性的影响.地面边界为4级海况边界，根据图4翼型在波浪海面升力系数波动的幅度及图15环量控制吹气动量系数与升力系数的关系，设置周期吹气最大吹气动量系数为 0.001 5，即最大吹气速度为86.6 m/s.周期吹气的吹气速度变化如下：

1.2.1 中草药制剂的制备。中草药共5 kg,其中黄芪占18.86%，黄连占28.30%，甘草占18.86%，白术占15.09%，板蓝根占18.86%。将上述药材洗净、干燥，加入药材质量4倍的60 ℃左右的水浸泡30 min后，加热至100 ℃煮10 min，再文火加热30 min,过滤去渣后制成1 200 mL复方中草药制剂，经100 ℃水浴杀菌10 min后快速冷却，密闭保存。

=433+

(4)

式中：为翼型最大升力的时刻；0.75为相位差；0.1为周期吹气产生升力增量的响应延迟.

小儿急性上呼吸道感染是临床常见的小儿疾病,可见于任何季节,鼻病毒、流感病毒、呼吸道合胞病毒、副流感病毒等是引起本病的主要病原菌,患儿临床多表现为喷嚏、咽部充血、发热等症状。

图19为最大和最小吹气速度时周期吹气环量控制翼型的压力系数.吹气速度达到最大时，翼型尾缘上下表面压差增大，是产生升力增量的主要原因.如图20所示，翼型在波峰位置吹气速度最大，引导气流向下偏转，可以平衡翼型在背离波浪运动时升力的下降；在波谷位置吹气速度最小.

图21为环量控制翼型有、无施加周期吹气条件下的升力系数曲线，可以看出通过周期吹气的环量控制方法可以明显减小升力系数波动的幅度，使曲线趋于平稳，但难以完全消除升力系数的波动.在4级海况条件下无吹气翼型的升力系数波动幅度为7.45%，施加周期吹气的翼型升力系数波动幅度为2.49%，通过与波浪相对运动相同周期的吹气环量控制方法可以显著改善地效飞行器的稳定性与安全性.