流动控制

流动控制技术研究方法及进展

流动控制可以分为被动流动控制和主动流动控制（AFC），被动控制技术目前已有广泛的应用，如机翼上的翼刀、涡流发生器等。主动流动控制技术是现在流体力学中研究的热点，它是提升未来飞行器性能的主要途径之一，但距离工程应用还有很长得路要走。

被动流动控制是通过被动控制装置来改变流动环境，这种控制是预先设定的，当流场偏离设计状态时，就无法达到最佳控制效果。主动流动控制则是在流场中施加适当的扰动模式与并与流动的内在模式相互耦合来实现对流动的控制。主动流动控制的优势在于它能在需要的时间和部位出现，通过局部能量输入，获得局部或全局的流动改变，进而使飞行器飞行性能显著改善。

一、被动流动控制技术的主要方法

1.1翼刀的使用

高速飞机经常在翼尖处出现气流分离（即高速气流使翼尖失去升力），从而降低了飞机的操纵性能，带来安全隐患。翼刀是用物理的方法阻止附面层向外翼流动，以缓和翼尖分离。

1.2涡流发生器

涡流发生器多指易产生涡流的物体，多用于控制流动分离。它的作用机理是利用漩涡使主流中的高动量流体和物面边界层内的低动量气流进行交换或平衡，从而向边界层内注入了高动量流体，推迟了流动分离，已经在控制飞机抖振、上仰、摇摆、及失速尾旋中得到应用。中国空气动力研究与发展中心的倪亚琴对涡流发生器的机理和用途进行了介绍{1}，并对涡流发生器研制中的重要参数进行了分析和验证。通过风洞实验段侧壁边界层和马赫数分布测量及半模型试验，证明涡流发生器的研制是成功的，使半模型试验有所改善。西安交通大学的刘小明等对涡流发生器在流体机械流动控制中的应用研究进展进行了介绍{2}。

1.3控制件方法研究

中国科学院力学研究所的邵传平等人对钝体尾流的控制机理及方法进行了系列研究{3}。在研究中等雷诺数（300

二、主动流动控制技术的主要方法

2.1吹气和吸气

早在1904年，普朗特提出边界层理论的同时，就已进行了用抽吸的办法控制圆柱绕流动和推迟流动分离的实验，实验结果表明流动是可以有效控制的。

对吹气和吸气技术的研究主要集中在吹气或吸气开孔方式、形状、位置的研究；吹气强、弱吹气变化方式的研究；吹气和吸气主动控制机理的研究。

人们发现，通过在机翼翼梢的展向吹气，可以起到类似延长翼展、从而达到增加升力的目的，利用机翼前缘的吸气和后缘部分的吹气，对机翼表面的边界层内流动进行干预，能够有效延迟边界层内流动的分离，增大机翼表面层流区，达到增升减阻的目的。战斗机机头或导弹弹体大攻角下会产生非对称涡并产生非对称气动力，利用吹气可以改善这种情况。除此之外直升机旋翼、发动机进气道、涡轮叶栅等也有大量利用吹气和吸气技术进行主动流动控制的研究。

2.2合成射流技术

合成射流是一种基于漩涡运动的零质量射流，是流动控制领域近十年来最热门活跃的流动主动控制技术。国防科技大学的罗振兵等介绍了合成射流激励器的基本类型，对合成射流激励器的工作原理、合成射流结构以及合成射流独特的流场特征和合成射流技术的特点进行了综述；并对合成射流主要和潜在的应用进行了介绍，同时对其在各应用领域的控制机理进行了归纳总结{6}。西北工业大学的韩忠华等对零质量射流推迟翼型失速进行了数值模拟研究，通过在具有分离流动的翼型表面局部地引入零质量射流干扰, 可以较小的能量代价实现对翼型绕流的全局性主动控制, 从而达到抑制分离、推迟翼型失速的目的{7}。

已有研究表明，合成射流在分离流控制、推力矢量、前体涡控制、有效气动面控制、直升机旋翼流动控制以及无机流动控制等方面都有巨大的应用潜力。

2.3等离子体流动控制方法

等离子体流动控制的机理：在电极上施加电压击穿电极间的气体，形成等离子体（电子和离子）电子和离子从电场中得到动量通过碰撞传递给中性粒子，从而改变流动速度，形成扰动，对流场进行控制。等离子体在控制流动分离、附面层控制、电动流体力学流动加速等方面具有广阔的应用前景，但是目前还只是实验研究，计算研究还刚起步,从研究深度看，目前尚处于概念验证阶段。

空军工程大学的魏沣亭等作了关于等离子激励控制圆柱绕流的影响因素分析，研究了等离子体电源激励电压和等离子激励器电极数目对圆柱绕流流动控制效果的影响{8}。研究表明，较高的激励电压可以获得较强的流动扰动，达到较好的流动控制效果；较多的激励电极数目可以激励较大区域的边界层流动，有利于增强流动控制效果。空军工程大学的苏长兵等验证了低雷诺数条件下，采用大气压等离子体流动控制技术进行圆柱绕流控制的有效性，设计了圆柱绕流实验系统，并开展了圆柱绕流实验{9}。

2.4基于MEMS技术的主动流动控制技术

基于微机电系统(MEMS)的主动流动控制技术在飞行器的增升、减阻、改善气动性能、降低噪声等方面都具有重要应用潜力，是当前流动控制领域的研究热点。近年来，MEMS器件技术的迅速发展为主动流动控制提供了新手段。MEMS

作动器件主要通过改变翼面局部结构或者为飞行器绕流流场提供动量、改变流场涡流状态或边界层分离状态，达到改善飞行器气动性能的目的。MEMS作动器体积微小，可以克服传统作动器的大体积、大功耗缺陷，而且具有响应快、分辨率高、材料易于分布控制等优点。因此被普遍看好并形成了以MEMS为基础结合空气动力学、结构、控制等多学科为一体的先进主动流动控制技术。

西北工业大学的邓进军等{10}研究了MEMS技术在流动分离主动控制中的应用，面向飞行器翼型绕流的控制, 设计开发了气泡型和合成射流等2类采用MEMS技术制造的微型致动器, 并对其性能进行了测试。结合三角翼及二元超临界翼型, 通过风洞实验考察了MEMS 微型致动器在翼型流动分离主动控制的应用效果。结果表明, 微致动器能够有效控制边界层流动状态, 改变翼型绕流的宏观流场, 实现增升减阻以及产生辅助力矩等控制目标。

2.5智能材料等自适应结构技术

智能材料等自适应结构也广泛用于主动流动控制。现代高机动飞行器经常采用大攻角机动飞行，但流动分离和失速是需要克服的主要问题。机翼动态失速是由前缘区域很强的逆压梯度或激波诱导分离引起的。控制动态失速可以通过改变机翼前、后缘弯度来改变局部马赫数和压力分布来实现。国外开展的此类研究有动态可变形前缘、主动气动弹性机翼、“智能蒙皮”等。哈尔滨工业大学的杜善义等对飞行器智能化研究及发展趋势作了概述，文中介绍了飞行器智能化需求及其发展状况，阐述了典型结构健康监测方法及其特征，讨论了飞行器主动变形结构的实现方法与途径，结合国内外的研究情况，指出了飞行器结构智能化的可实现前景{11}。

参考文献

1 倪亚琴涡流发生器研制及其对边界层的影响研究. 空气动力学学报，1995，13（1）：110~115.

2 刘小明党群张炜席光涡流发生器在流体机械流动控制中应用研究进展. 流体机械，2007,35（3）：33~39.

3 邵传平钝体尾流控制机理及研究方法进展. 力学进展，2008, 38（3）:314~328.

4 邵传平鄂学全魏庆鼎朱凤荣等中等雷诺数圆柱尾流漩涡脱落的控制. 力学学报，2002.7，34（4）：609~614.

5 邵传平王建民较高雷诺数圆柱尾流的控制. 力学学报，2006, 38（2）:153~161.

6 罗振兵合成射流技术及其在流动控制中应用的进展. 力学进展，2005,35（2）：221~234.

7 韩忠华乔志德宋文萍零质量射流推迟翼型失速的数值模拟. 航空学报，2007,28（5）：1040~1045.

8 魏沣亭宋慧敏李应红苏长兵张朴等等离子体激励控制圆柱绕流的影响因素分析. 空军工程大学学报，2007，8（3）：1~3.

9 苏长兵等基于等离子体激励的圆柱绕流控制实验研究. 实验流体力学，2006,20（4）:45~48.

10 邓进军等MEMS技术在流动分离主动控制中的应用. 西北工业大学学报，2010,28（3）：382~387.

11 杜善义张博明飞行器结构智能化研究及其发展趋势. 宇航学报，2007,28（4）：773~778.

12 战培国程娅红赵昕主动流动控制技术研究. 综述overview.