氣動翼縫

氣動翼縫（Pneumatic wing joint）一般指飛行器上（尤其是飛機上）的襟翼翼縫，氣動翼縫在一定程度上會影響飛機機翼的氣動特性。

有關翼縫對翼型氣動性能影響研究結果表明：襟翼長度相同時，隨著翼縫相對寬度的增大，升力係數逐漸減小。在翼縫流體入口端，主翼末端存在一個渦，隨著翼縫相對寬度增大，該渦流範圍逐漸擴大; 在襟翼前端有局部的壓力升高，隨著翼縫相對寬度增大，該局部高壓範圍擴大。

有關翼縫寬度對翼型水動特性的影響研究結果表明：當翼型處於小攻角時，翼縫寬度對翼型吸力面影響較小，對壓力面高壓區範圍影響較大；當翼型處於大攻角時，翼縫的存在改變了翼型流場結構，減少了翼型尾緣處發展渦的數量，且縮小了渦的範圍； 在大攻角下，翼縫對翼型壓力面高壓區和吸力面低壓區範圍影響較大

基本介紹

• 中文名：氣動翼縫
• 外文名：Pneumatic wing joint
• 對象：飛行器上襟翼的翼縫
• 作用：改變機翼氣動特性
• 一級學科：航空科技
• 二級學科：航空器

襟翼翼縫相對寬度對翼型氣動性能影響研究

研究介紹

空氣動力學理論與實驗均表明，失速是翼型效率降低的主要因素，為此，許多學者提出了旨在消除或推遲流動分離從而延遲失速的方法。受空中和水中動物通過拍打翅膀或尾翼控制渦流改善前行性能的啟發，基於仿生學提出了帶有擺動小翼( 又稱襟翼) 的開槽葉片設計方法，並對其進行了研究。襟翼又分固定襟翼和擺動襟翼，固定襟翼的概念源於在低雷諾數下獲得高升力的套用； 擺動襟翼，是襟翼周期性地繞俯仰軸擺動。襟翼偏轉增加了後緣的彎度，因此襟翼的實質就是通過改變翼型的彎度使流場發生改變，從而達到控制流場的作用。

研究表明，在某些情況下襟翼的偏轉降低了翼型的失速攻角，因此襟翼的偏轉將會改變升力和阻力特性。採用固定襟翼控制氣流流動的思想由PAGE和GLAUERT於1920年提出，其目的是在相對較低的速度下獲得較高的升力。WEYL對分離式襟翼的早期研究做出過重大貢獻，其採用實驗證明了襟翼表面渦的非有序流動。1927年，FOWLER發明了以其名字命名的富勒襟翼，並在NASA風洞中進行了測試實驗，結果表明，採用富勒襟翼機翼的升力係數可提高85% ～ 95%，有關研究還表明一些大面積富勒襟翼的升力係數可提高110% ～ 140% 。自此，出現了各種結構的分離式襟翼，如簡單襟翼、容克式襟翼和古奇襟翼等。

相關報告研究了套用於垂直軸潮汐能發電機葉片的固定襟翼和擺動襟翼對輸出功率的影響，分析了襟翼的擺動對風力機流場的影響，得出襟翼能夠增加葉輪的功率係數、大攻角下可延遲失速的結論。還有研究通過實驗方法驗證了襟翼具有改變翼型周圍主渦的發展和變化的作用，粒子成像實驗清晰地展示了襟翼的擺動對改變翼型周圍渦發展的情況。基於S-A湍流模型針對多段翼型的非定常流動實驗研究表明，縫翼壓力面具有一定的渦量變化，前緣縫翼、襟翼與尾跡渦干擾在一起，形成升力的周期性變化。部分研究僅對帶襟翼的翼身組合體進行數值模擬，主要驗證了壓力曲線的區別是源於數值計算中格線數對計算結果的影響。採用襟翼翼型進行不同攻角實驗模擬，得出壓力分布和翼型上的分離流，但並未說明造成這種現象的原因和結論。上述有關襟翼的研究工作，證實了襟翼對翼型周圍流場結構和翼型的升、阻力特性有影響，但是針對襟翼的幾何特性沒有做詳細的研究，僅對襟翼處於某一固定位置進行分析研究。

通過在葉片尾緣附近布置襟翼，少量流體被迫通過襟翼翼縫從高壓區域流向低壓區域，高壓、高動量流體將其能量傳遞給葉片上表面附近邊界層，使得充分發展的邊界層破碎，並重新形成新的邊界層。這種方法可以有效降低邊界層附近湍流度，並推遲邊界層在尾緣處的脫離，從而減少流動損失。由上可知，襟翼對流場的作用相對於基準翼型是流動擾流幾何尺寸的改變，因此對於由襟翼組成的流動，襟翼長度w和翼縫寬度d( 見圖1) 自然成為襟翼結構的重要參數。該研究中採用數值模擬研究不同襟翼相對長度w /c及不同翼縫相對寬度d /c時的氣動性能及所對應的流場結構。

圖1

研究結果

基於S-A湍流模型對襟翼不同相對長度及翼縫相對寬度下翼型周圍流場結構以及翼型升、阻力性能曲線研究，結果表明：

（1）帶襟翼翼型的失速攻角均大於基準翼型；在攻角達到失速攻角前，帶襟翼翼型的升力係數均小於基準翼型，阻力係數均高於基準翼型； 但升力係數的最大值均高於基準翼型。可見襟翼具有延遲翼型失速的特點。

（2）在翼縫流體入口端，主翼末端存在一個渦流，隨著翼縫相對寬度d /c增大，該渦流範圍逐漸擴大； 在襟翼前端有局部的壓力升高，隨著翼縫相對寬度d /c增大，該局部高壓範圍擴大。

（3）在小攻角下，由於翼縫的存在，導致在主翼與襟翼的連線處有局部壓力升高區; 在大攻角情況下，襟翼翼縫相對寬度的大小對翼型上下表面壓差影響較大，隨著d /c的增大，主翼末端與襟翼前端的壓力差均逐漸增大。

（4）襟翼相對長度和翼縫相對寬度共同影響翼型的氣動性能，w /c = 0.3，d /c = 1.0%時，在小攻角下，翼型的升力係數相對較高，升力係數的峰值最大；此時襟翼對翼型氣動性能效果較佳。

翼縫寬度對翼型水動特性的影響

研究介紹

近年來，因工業和科技的快速發展，全球對能源需求日益增大，使得可再生能源再次成為世界各國關注的焦點；潮汐能對氣候影響的不敏感性，以及其在時間與空間的可預測性，使得潮汐能在各種海洋可再生能源中具有極大的優越性；潮汐能是指由潮汐現象所引起的海水流動能，每天周期性的改變其大小和方向。僅我國沿海，潮汐能理論平均功率就高達13.9萬MW。

潮流能利用的主要形式為潮汐能發電，垂直軸水輪機能適應多方向往復潮流，自啟動性能好，備受國內外學者的關注，而潮流水輪機葉片所用翼型為水輪機能量捕獲的關鍵所在；流體動力學理論與實驗研究均表明，失速是翼型效率降低的主要因素，失速的出現主要是由於葉片旋轉到大攻角位置時的流動分離。為此許多學者提出了大量旨在消除或推遲流動分離從而延遲失速的方法。

通過在葉片尾緣布置襟翼，少量流體被迫通過襟翼翼縫從高壓區域流向低壓區域，高壓、高動量流體將其能量傳遞給葉片上表面附近邊界層，使得充分發展的邊界層破碎，並重新形成新的邊界層。這種方法可以有效降低邊界層附近湍流度，並推遲邊界層在尾緣處的脫離，從而減少升力損失。由上可知，襟翼對流場的作用相對於基準翼型是流動擾流的幾何尺寸改變，因此對於由襟翼組成的流動，襟翼長度 l和寬度x如圖 2所示自然成為襟翼結構的重要參數。該研究採用數值模擬研究不同襟翼長度 l時的水動性能及所對應的流場結構，分析不同翼縫寬度對NACA0018水動特性的影響。

圖2

研究結果

基於SST k － ω湍流模型，計算不同翼縫寬度對翼型水動特性的影響，數值計算結果表明：

（1）當翼型處於小攻角時，翼縫寬度主要影響翼型尾緣壓力面高壓區範圍大小，對低壓區範圍影響較小； 當翼型處於大攻角時，翼縫可減少翼型尾緣渦的數量，並且縮小了尾緣渦範圍，對壓力面高壓區與吸力面低壓區範圍影響較大；

（2）當翼縫寬度w = 0.1% c時，翼型水動特性最優。翼縫的存在改變了翼型壓力面與吸力面的靜壓力，靜壓力均有所升高，翼型x /c = 0. 7附近，翼型表面出現壓力高峰，這是翼型水動特性升高的主要因素。