边界层控制 和 涡流发生器 共23页
控制超临界翼型边界层分离的微型涡流发生器数值模拟
控制超临界翼型边界层分离的微型涡流发生器数值模拟石清;李桦【摘要】本文基于任意曲线坐标系下的雷诺平均Navier-Stokes方程和Spalat-Allmaras一方程湍流模型,采用对接拼接网格技术和多重网格加速收敛技术,对安装有叶片式微型涡流发生器的超临界机翼翼身组合体进行了数值模拟,研究了微型涡流发生器的高度和弦向安装位置对超临界机翼附面层流动控制的机理以及对超临界机翼气动性能的影响规律.%In this paper, the main contents are focused on flow control mechanism of micro-vortex generators and aerodynamic performance of supercritical wing. To simulate the aerodynamic characteristics of supercritical wing using micro-vortex generators, based on the RANS equations and SA turbulent model, the numerical methods are adopted including cross-grid technology and multi-grid method. Effectiveness of micro-vortex generators heights and positions on flow control mechanism and aerodynamic performance of supercritical wing are investigated.【期刊名称】《空气动力学学报》【年(卷),期】2011(029)004【总页数】4页(P508-511)【关键词】微型涡流发生器;超临界机翼;流动控制;数值模拟【作者】石清;李桦【作者单位】中国空气动力研究与发展中心,四川绵阳621000;国防科学技术大学航天与材料工程学院,湖南长沙410073;国防科学技术大学航天与材料工程学院,湖南长沙410073【正文语种】中文【中图分类】V211.30 引言广义而言，一切可产生涡流的器件都可称之为涡流发生器。
涡流发生器
随着对21世纪的飞行器提出的一系列新的要求，对21世纪的空气动力学也提出了新的挑战。
未来的军用飞机将更突出低可探测性、高机动性、超声速巡航和短距起降等要求，对民用飞机则突出经济性更好、乘坐更舒适、环保性更突出等要求，而传统的飞行器外形很难满足新的要求，必须开拓全新的气动外形和飞行方式，建立新的气动数据库。
在开拓新飞行器外形和飞行方式的同时，还必将发展出许多新颖的空气动力技术。
例如通过主动流动控制技术，包括吸气、吹气、微振动、微涡流发生器、特定的表面粗糙度分布等，改善飞机的升阻特性和操稳特性，用智能材料和智能结构，让飞行器的主要气动面按飞行状态自适应地改变外形，使飞行器在不同的飞行状态都处于最佳外形，从而产生最佳的气动性能等。
本刊从这期起开启"空气动力之窗"栏目，将陆续刊登围绕21世纪空气动力学新概念和新技术的系列文章，欢迎大家投稿。
飞机在其飞行包线范围内，如果机体表面出现不利的气流分离，将带来许多不良后果，例如增加阻力、降低升力、导致提前失速和不对称失速等。
此外襟翼偏转后，襟翼表面上的气流过早分离会导致失速迎角减小，最大升力系数降低；操纵面上的气流分离可能导致操纵面效能降低、操纵杆振动；平尾上的气流分离可能导致飞机危险地自动上仰。
涡流发生器的主要作用就是用来有效地阻止以上各种气流的过早分离。
工作机理涡流发生器实际上是以某一安装角垂直地安装在机体表面上的小展弦比小机翼，所以它在迎面气流中和常规机翼一样能产生翼尖涡，但是由于其展弦比小，因此翼尖涡的强度相对较强。
这种高能量的翼尖涡与其下游的低能量边界层流动混合后，就把能量传递给了边界层，使处于逆压梯度中的边界层流场获得附加能量后能够继续贴附在机体表面而不致分离。
这就是涡流发生器的基本工作原理。
早在上世纪60 年代，一些空气动力学研究人员对涡流发生器控制平板湍流边界层的流动机理进行了研究，同时通过对涡流发生器流动的湍流结构、流向涡发展的研究，提出了涡流发生器控制边界层，特别是控制湍流边界层分离的基本原理就是在于向边界层内注入新的涡流能量。
边界层控制 和 涡流发生器 共23页PPT资料
另一组 层流、湍流 边界层 分离 实验照片
实拍：海军 陆战队 战机翼面 涡流发生片， VG
实拍：波音 767 翼面 涡流发生片， VG
实拍：波音 737 翼面 涡流发生片， VG 机翼前缘 起飞时变角
实拍：波音 767 翼面 涡流发生片， VG 巡航时 前缘收起
Vortex generators A wind turbine blade does not have the same aerodynamic efficiency along its entire length. Towards the root, thick airfoils are used to enable the blade to bear its own weight. The blade is circular at this end, to permit mounting on the turbine. These factors have a negative effect on the blade’s performance.
实拍：波音 747 翼面 襟翼 正压增流
实拍：波音 747 翼面 襟翼 正压增流
翼面 负压整流
机翼表面 吸负压时 边界层 照片状态
翼面 采用 吸负压 已达到层流边界层 控制之目的 （美国NASA）
无 吸负压时 边界层分离 照片
单侧 吸负压时 边界层 照片状态
双侧 吸负压时 边界层 照片状态
Vortex generators consist of a number of small fins that protrude over the interface that occurs when the wind moves over the surface. These fins are mounted opposite each other at a certain angle that causes counter-current eddies in the air flow. Vortex generators result in the flow of air subsequently separating from the surface at a later point, i.e. at higher wind speeds. This delays the moment when the blades stall and thus lose their capacity to produce power – the lowest part of the blade is thus efficient during a greater part of the turbine’s production time.
化工原理边界层的概念
化工原理边界层的概念1. 什么是边界层？边界层，这个词听起来可能有点儿高深，但其实它的意思就像是你在吃一碗热汤时，汤面上那层轻轻冒泡的热气。
简单来说，边界层是指流体（比如空气或者水）在与物体表面接触时，流动速度变化的那一层区域。
就好比你在高速公路上开车，车子旁边的风流动速度就会慢下来，离车子越近，风速越小，甚至在车身表面几乎静止。
这一现象在化工领域中可是大有用处，因为它会影响到许多化学反应和传热过程。
2. 边界层的形成2.1 速度梯度的产生边界层的形成可不是随随便便就来，它是由流体与物体表面之间的摩擦引起的。
当流体流过一个物体时，表面的摩擦力会使得离表面很近的流体速度减慢，而离表面远一点的流体速度就比较快。
想象一下，像你在游泳时，手划水会让水面产生波纹，离你手近的水流速就慢，而离你远一点的水流速就快。
这种速度的变化，就形成了所谓的边界层。
2.2 边界层的类型边界层有两种类型：层流和湍流。
层流就像是你在操场上滑滑梯时，滑下去的过程平稳流畅，没有什么阻碍。
而湍流则像是你在海边玩水，突然来了一阵大浪，水流混乱得不得了。
层流的边界层比较薄，流动平稳；而湍流的边界层则厚，流动相对混乱。
不同的边界层特性会影响到物体的阻力和热交换效率，真是让人头疼又好玩的事情。
3. 边界层的影响3.1 对化学反应的影响那么，边界层在化工反应中到底有多重要呢？嘿嘿，咱们来想象一下，如果你在一口大锅里煮汤，锅底的水和汤面上的水，温度可差得远了。
水面上的水因为不断被搅拌和加热，温度很高，而底部的水由于热量传递不够快，温度却低得多。
这就导致了反应速度的不同。
边界层就像是一个“调味师”，如果我们不注意它的存在，很多反应就会变得慢吞吞，效果也会大打折扣。
3.2 对传热的影响不仅如此，边界层在传热中也起着举足轻重的作用。
想象你在冬天洗手，水龙头放出来的热水想要迅速把你的小手暖和起来，但要是你把手放得太远，那热水可就没那么给力了。
这就是边界层的“寒冷”影响。
涡流发生器在风力发电机组叶片上的应用
涡流发生器在风力发电机组叶片上的应用本文简单介绍了涡流发生器，以某风场为例，探究了叶片的气动特性，以及加装涡流发生器之后的叶片气动特性，探究了在不同外形叶片上加装涡流发生器之后的气动性能对比。
标签：涡流发生器;风力发电机;叶片前言由于涡流发生器可以产生较高强度的叶尖涡，可以使翼型的气动性能得到有效改善，所以被广泛应用于航空界。
伴随相关研究人员对风力发电的进一步研究，业界也越来越重视在风电叶片上应用涡流发生器的探索。
通过计算和研究相关的数据，确认要提升2%左右的叶片年发电，不仅与涡流发生器的安装位置、分布密度、几何形状等参数有直接联系之外，还和叶片自身的气动性能关联。
因此，下文将针对涡流发生器在风里发电机组叶片上的应用展开分析探究。
1.涡流发生器简析涡流发生器可以有效使边界层所分离的气动附件得到抑制，在20世纪40年代就已经应用到了涡流发生器，涡流发生器在现阶段的航空领域也广泛应用，而且应用和发展正慢慢成熟化。
在风电叶片边界层的分离控制中应用涡流发生器具有良好的效果，为使抑制流动分离得到实现，将叶片的输出功率增加，需要在风电叶片叶根到叶中区域的吸力面安全涡流发生器[1]。
风力机叶片性能会受到安装涡流发生器的位置还有涡流发生器的形状的影响，并且风力叶片机的出功要想得到增加，就要严格按照涡流发生器的安全标准和安装条件来进行，确保连接叶片的强度达到相关的要求，同时还要选择合适的涡流发生器材质[2]。
优化几何特征的涡流发生器将通过开展风洞试验来进行，并将在某个高海拔的风场机组叶片上安装涡流发生器，然后针对安装上涡流发生器的叶片展开评估，主要评估年发电量在安装之前和之后的变化的，并且在评估结果中可以知道，要是只加装涡流发生器之后不会有其他改变，可以提升4%左右的年发电量，要是调整控制整机的测量，还可以进一步提高2%左右的年发电量[3]。
2.某风场的叶片气动特性此风场的空气密度不高，0.9kg/m3为实测值，空气密度为1.236kg/m3的时候是设计状态，叶片的额定风速在这种状态的时候可以得到提升，叶片各切面攻角也会得到相应增加，在风速为10.8m/s左右的时候，叶片的状态属于停滞不增，达到额定的风速是在13m/s的时候，而叶片发电量损失严重在10.8—12m/s的风速区间段。
风机叶片边界层控制、涡流发生器及其策略共64页
风机叶片边界层控制、涡流发生器及 其策略
36、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突 破，不 要嫉妒 要欣赏 不要 托延要 积极， 不要心 动要行 动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出，乐 观是成 功的第 三要素 。
39、没有不老的誓言，没有不变的承 诺，踏 上旅途 ，义无 反顾。 40、对时间的价值没有没有深切认识 的人， 决不会 坚韧勤 勉。
46、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游 48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。——史美尔斯 49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。——孙洙 50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。——莫扎特
微型涡流发生器控制超临界翼型边界层分离实验研究
(下转第 84 页)
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图 7～8 给出 H = 0. 1δ和 0. 8δ的涡流发生器对 翼型 气 动 力 的 影 响 ( 图 中 : CW 表 示 干 净 翼 型 ; 011δ0186 c 表示安装位置在弦长 86 %处的 0. 1δ的涡 流发生器 ;0. 8δ0. 75 c 表示安装位置在弦长 75 %处的 0. 8δ的涡流发生器) 。结果表明 ,安装位置在 0. 86 c 处 011δ的微型涡流发生器比 0. 75 c 处 0. 8δ的大尺 寸涡流发生器减阻效果好 。小迎角 (α≤6°) 时 ,0. 8δ 的涡流发生器起增阻作用 , 只有在 6°< α < 12°时 , 018δ的涡流发生器起减阻作用 ,这和传统涡流发生 器在其它翼型上使用所得结论一致 ;0. 8δ的涡流发 生器在所有实验迎角范围升力都是减小的 ,这与传统 涡流发生器在其它翼型上使用时 ,大迎角增升的结论 相反[1] ;而高度 H = 0. 1δ的微型涡流发生器 ,虽然增 升效果不明显 ,约小于 2 % ,但在 0°≤α≤12°迎角范 围内 ,减阻效果十分明显 ,最大减阻可达 20 % 以上 。 上述涡流发生器对超临界翼型边界层分离的控制作 用与该翼型的边界层弱分离特性有关 。 图 9 为 H = 0. 1δ的梯形涡流发生器在不同弦向
60
实 验 流 体 力 学 (2005) 第 19 卷
风机叶片边界层控制、涡流发生器及其策略
流体边界层。。。及其
雷诺数 – Re 粘性厚度 – δ 粘性速度 – u*
控制
流体状态： 层流 湍流
Re > 500,000 平板体
流体阻力：形体阻力（产生于整体几何翼型）宏观 贴体阻力（产生于边界表面层）微观 姿态阻力（因几何形体姿态调整）宏观 流体控制：即，边界层控制，包括 层-湍流 过渡延迟 （层流造）湍流边界层 分离抑制 （湍流中再造湍流是否能抑制分离？） 贴体阻力 减持 湍流是核心 – 对贴体阻力讲，减少横向湍流 Riblets是具体措施 总体讲，湍流 比 层流 产生更大的 贴体阻力 贴体阻力： 光未必就滑
大型风机叶片
降低 贴体阻力
叶片转向
叶片来流
分离抑制（？）：涡流发生器
我们的下一步。。。 下回 分解。。。应该有好几个 创新发明
Target area for skin friction reduction Air flow speed range: 4 π ~ 6 π m/s Re: 8 π ~ 12 π x 105 (Plate Transition Re: 5 x 105) π = 3.14
边界层是可以控制的：
光滑表面
粗糙表面
边界层是可以控制的： 分离抑制
光滑圆球：
层流边界层 -> 分离
凹点表面：
层流边界层 -> 过渡层 -> 湍流边界层 -> 分离
边界层是可以控制的： Gurney 尾挡
南极国女子
空客 在行动
欧盟 蓝天 工程: 为期两年的 飞行器 表面涂层 降阻 工程 参与公司： - Lufthansa 汉莎航空 Technik AG - Airbus 空客 - 法兰克福 制造技术及高级材料 研究院（IFAM） - 捷克 Eirtech 航空喷漆中心 - Mankiewicz 涂料公司
涡流发生器在二元亚音扩压器角落流动控制中的应用
涡流发生器在二元亚音扩压器角落流动控制中的应用摘要：本文探讨了涡流发生器在二元亚音扩压器角落流动控制中的应用。
为此，我们调查了使用涡流发生器的基本原理和实验方案，以获得所需的结果。
实验表明，在二元亚音扩压器角落流动控制中，使用涡流发生器可以有效减少力矩不平衡，从而改善发动机性能。
关键词：二元亚音扩压器，涡流发生器，角落流动控制，力矩不平衡，发动机性能正文：在增压发动机中，边界层流动控制是重要的，因为它决定了发动机性能。
近年来，二元亚音扩压器已成为一种常用的发动机边界层流动控制系统，主要用于减少力矩不平衡，提高发动机性能。
然而，二元亚音扩压器有一些缺点，包括体积大、重量较重和复杂的设计。
为了解决这些问题，我们提出了一种新的方法——使用涡流发生器控制角落流动。
涡流发生器的设计相对简单，可以降低重量和体积，有效地减少力矩互不平衡。
为了检验这种方法的可行性，我们设计了一个实验，通过比较使用涡流发生器和不使用涡流发生器时的性能来测量涡流发生器的效果。
我们的实验结果表明，在二元亚音扩压器角落流动控制中，使用涡流发生器可以有效改善发动机性能，且改善程度随着涡流发生器的优化而提高。
应用涡流发生器的方法很简单，可以使用一个涡流发生器，并将其放置在二元亚音扩压器角落处以控制流动。
涡流发生器可以根据不同的控制信号来改变其流量，从而改变角落流动控制的效果。
为了进一步提高涡流发生器的效果，可以使用多个涡流发生器，并将其布置在同一区域，以形成更强的控制效果。
还可以使用传感器检测角落流动的当前状态，并调整涡流发生器的输出，以调节角落流动控制的性能。
此外，还可以通过计算机模拟来优化涡流发生器的布局，以达到最佳的流动控制效果。
最后，通过与实际实验的比较，可以验证涡流发生器的性能，并确定其对于角落流动控制的最佳应用。
总之，使用涡流发生器可以有效改善二元亚音扩压器角落流动控制的性能。
此外，在二元亚音扩压器角落流动控制中，还可以使用一些先进的控制策略，以提高涡流发生器的性能。
基于涡流发生器的风洞试验段附面层控制数值模拟
基于涡流发生器的风洞试验段附面层控制数值模拟刘光远;贾智亮;陈学孔;邓吉龙【期刊名称】《气体物理》【年(卷),期】2018(003)003【摘要】沿试验段侧壁发展的附面层是影响飞行器半模型实验数据精准度的主要因素之一.利用数值模拟方法验证了涡流发生器减小附面层影响的可行性,重点分析了安装角度、结构尺寸、安装位置及个数等设计参数对附面层内速度分布的影响规律,对涡流发生器尾涡强度以及沿流向的发展规律进行了初步探讨.结果表明,涡流发生器产生的尾涡能够有效改善附面层内的速度分布,进而减小附面层厚度,降低附面层影响;涡流发生器的后缘应略高于当地附面层厚度,安装角度、位置、个数等参数必须合理设计以减小涡流发生器对试验段主气流的影响.基于计算结果初步设计了可用于2.4 m跨声速风洞半模试验段的涡流发生器,在亚声速范围内能够减小模型区侧壁附面层厚度66％左右,对核心流Mach数影响小于0.003,为涡流发生器的实际应用提供了依据.【总页数】7页(P32-38)【作者】刘光远;贾智亮;陈学孔;邓吉龙【作者单位】中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室, 四川绵阳621000;中国空气动力研究与发展中心高速所, 四川绵阳621000;中国空气动力研究与发展中心高速所, 四川绵阳621000;中国空气动力研究与发展中心高速所, 四川绵阳621000【正文语种】中文【中图分类】V211.7【相关文献】1.控制机翼附面层分离的涡流发生器实验研究 [J], 张进;张彬乾;段卓毅;焦予秦2.基于涡流发生器的风洞试验段附面层控制数值模拟 [J], 刘光远;贾智亮;陈学孔;邓吉龙;;;;3.斜坡型涡流发生器控制叶栅角区分离的数值模拟 [J], 尚东然;刘艳明;季路成;朱榕4.涡流发生器在进气道亚音速扩压器附面层和流动控制中的应用 [J], 陈晓;方良伟5.基于涡流发生器的翼型风洞试验侧壁干扰控制研究 [J], 魏斌斌;高永卫;师尧;李栋;郝礼书因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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其他：边界层 控制 整流
实拍： A320 机头 整流条
实拍： 波音 747机头 整流条
曲尖翼 涡流 阻断
谢谢！
xiexie!
翼面 边界层 控制 目的：延缓边界层分离
增加来流与翼面附着 结果：提高升力
减小阻力 防止失速 增加稳定
方法（有三）：-- 上游扰流 -- 翼面襟翼正压增流
（注意：Riso有一小组在做 这个方面的项目）
-- 翼面负压整流
陈 宇奇 2019-05-16 于 美国 田纳西
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ上游 扰流
层流 边界层 在半途中便发生了 分离，见 实验照片 湍流 边界层 在曲面下游 才发生分离，见 实验照片
Vortex generators consist of a number of small fins that protrude over the interface that occurs when the wind moves over the surface. These fins are mounted opposite each other at a certain angle that causes counter-current eddies in the air flow. Vortex generators result in the flow of air subsequently separating from the surface at a later point, i.e. at higher wind speeds. This delays the moment when the blades stall and thus lose their capacity to produce power – the lowest part of the blade is thus efficient during a greater part of the turbine’s production time.
另一组 层流、湍流 边界层 分离 实验照片
实拍：海军 陆战队 战机翼面 涡流发生片， VG
实拍：波音 767 翼面 涡流发生片， VG
实拍：波音 737 翼面 涡流发生片， VG 机翼前缘 起飞时变角
实拍：波音 767 翼面 涡流发生片， VG 巡航时 前缘收起
Vortex generators A wind turbine blade does not have the same aerodynamic efficiency along its entire length. Towards the root, thick airfoils are used to enable the blade to bear its own weight. The blade is circular at this end, to permit mounting on the turbine. These factors have a negative effect on the blade’s performance.
Vortex generators can boost blade performance by up to 4–6%.
Tip design
风力发电机 叶片翼面 涡流发生片阵列， VG
实拍：Vestas 叶片翼面 前缘扰流条， VG
实拍：Vestas 叶片翼面 前缘扰流条， VG
翼面 襟翼 正压增流
实拍：波音 747 翼面 襟翼 正压增流
实拍：波音 747 翼面 襟翼 正压增流
翼面 负压整流
机翼表面 吸负压时 边界层 照片状态
翼面 采用 吸负压 已达到层流边界层 控制之目的 （美国NASA）
无 吸负压时 边界层分离 照片
单侧 吸负压时 边界层 照片状态
双侧 吸负压时 边界层 照片状态