非定常自由流

非定常流，運動不平衡的流動，在流場中各點流速隨時間變化，各點壓強，黏性力和慣性力也隨著速度的變化而變化。

自由流是指飛機前未經擾動的來流，也即沒有飛機等干擾時，空氣的自然流動現象。

非定常自由流即未經干擾的非定常流場。

非定常流動在自然界是十分普遍的現象，如渦輪發動機中的葉片，直升機的螺旋槳，高機動飛行的戰鬥機以及鳥類和昆蟲的飛行等等。與定常流動相比，非定常流動往往產生很突出的氣動力變化。在非定常氣動力研究中，不僅需要研究模型的非定常運動，還要考慮非定常自由流帶來的影響。

基本介紹

• 中文名：非定常自由流
• 外文名：unsteady free stream
• 學科：航空航天
• 類型：飛行術語
• 自由流：飛機前未經擾動的來流
• 非定常流：流動參數隨時間變化

背景

除了戰鬥機在進行過失速機動飛行時會遇到來流速度的非定常變化以外，來流速度隨時間變化的例子在自然界和工業技術研究中也是十分普遍的現象。這其中一個重要的例子是前飛中的直升機。由於直升機旋翼周期性的轉動，因此在直升機前飛過程中，旋翼的葉片在一個周期內的相對氣流速度是周期變化的。由於直升機旋翼葉片運動的複雜性，它包括了葉片的俯仰運動和上下的揮舞運動，因此旋翼葉片的非定常氣動特性也是相當複雜的，所以同時考慮旋翼葉片非定常運動和來流速度非定常變化的氣動特性研究也就變的更加複雜。而深入研究在非定常自由來流中的旋翼葉片的升力回響，對於直升機旋翼的最佳化設計、旋翼結構設計分析、旋翼氣動彈性和噪聲的研究都將十分有益，同時有利於對非定常氣動力流動機理的全面認識。

南京航空航天大學建成的國內首座非定常風洞，為進行非定常自由來流方面的研究，提供了獨特的實驗設備，該風洞可以提供可控的大幅來流速度脈動，這使得在非定常來流下對翼型動態失速和飛機模型渦破碎特性的研究成為可能。

簡介

非定常流動在自然界是十分普遍的現象，如渦輪發動機中的葉片，直升機的螺旋槳，高機動飛行的戰鬥機以及鳥類和昆蟲的飛行等等。與定常流動相比，非定常流動往往產生很突出的氣動力變化。在非定常氣動力研究中，不僅需要研究模型的非定常運動，還要考慮非定常自由流帶來的影響。有研究表明，翼型在非定常加減速流場中得到的升力係數的瞬時峰值可高達10以上。目前國內外在非定常空氣動力學領域進行了較深入研究，特別是針對新一代戰鬥機所提出的過失速機動能力，建成了許多大振幅動態實驗裝置，以模擬飛機的機動飛行。但這些模擬實驗只考慮了飛機機動飛行時姿態的變化，而忽略了非定常流場對氣動力產生的影響。實際上飛機在進行過失速機動飛行時，伴隨著飛行姿態的變化飛行速度也發生很大變化。因此進行非定常自由流對氣動特性的影響研究是十分必要的。

相關研究

關於非定常自由來流的研究，最早還是始於對直升機旋翼葉片周期運動中相對來流速度變化的考慮。Pierce、Kunz和Malone在低速風洞中安裝軸向陣風生成裝置，用來模擬直升機旋翼的非定常氣動環境。通過測量在定常和非定常來流速度場內的二維俯仰振盪翼型的氣動力矩，來研究自由流速度脈動對動態失速特性的影響。研究結果表明，來流速度的脈動對俯仰力矩產生很大影響，但是對旋翼葉片的穩定性沒有產生明顯的改變。此後由於實驗設備的限制，關於非定常自由來流方面的研究則很少，直到八十年代後期，在USC (University of Southern California)建成了一座非定常水洞，在此基礎上由Chih-MingHo教授領導的研究小組，對非定常自由來流下的模型非定常氣動特性進行了細緻的研究。在二維翼型方面，Chiang Shih利用非定常水洞研究了靜態NACA0012翼型在來流速度加速和減速過程中的流動分離情況，並且在此基礎上在翼型上安裝了控制裝置，進行分離流動控制研究。而工smet Gursul的研究則發現，放置在非定常自由來流中的NACA0012翼型，其相位平均升力係數最大可達到10，而通常情況下俯仰和沉浮運動的翼型產生的升力係數雖然比靜態時要高，但仍是一個量級。分析認為，這個高升力係數的出現與從翼型前緣脫落的渦在自由來流周期變化時，在翼型上的駐留過程有關。工smet Gursul研究了非定常自由來流中時間尺度對翼型升力的影響。研究表明，翼型上的升力係數在某些情況下與減縮頻率有關，而另外一些情況下則沒有關係，並認為這主要是與前緣渦是否在翼面上附著有關，如果前緣渦附著在翼面上，沒有發生脫落，則升力係數與減縮頻率無關;如果前緣渦發生脫落並向下游傳遞，則升力係數與減縮頻率變化有關。Chih-Ming Ho用渦量平衡的概念分析了翼型上的非定常分離過程。而1994年Chiang Shih對在非定常自由流中的二維翼型的實驗研究最為詳細。作者通過進行流場顯示、測量相位平均速度場以及非定常升力的測量，研究了變化的自由來流對靜態NACA0012翼型的非定常作用，並套用渦量平衡的概念解釋了非定常流動現象，最後分析了附著流動和分離流動的時間尺度問題，從而對非定常自由流下的靜態翼型的流動特性有了深刻的認識。以上關於二維翼型的研究都是在低速風洞或水洞中進行，而在直升機前飛過程中，旋翼葉片上的周期速度變化基本上是從亞音速到跨音速變化，因此研究流動馬赫數的周期變化對翼型上激波的影響也是很有意義的。H. Babinsky和R. M. Fernie在跨音速風洞中安裝了一個凸輪裝置，用來改變風洞中的流動馬赫數。初步實驗研究結果表明，非定常自由流的影響作用是明顯的，隨著流動速度的加速和減速，激波的強度和位置都發生改變。

關於三角翼在非定常自由流中的研究情況，Lambourne和Bryer首先觀察了風洞中流速加速和減速時渦的破碎位置。他們發現，當流動速度增加時，渦的破碎位置向上游移動，而減速時情況相反，當自由流速度回到穩定速度時，渦的破碎位置又恢復到平均位置上。在Lambourne和Bryer的研究中還表明，在自由流中的壓力梯度在渦核處被放大。Freymuth用四氯化欽研究了從零速度開始的加速流動中的三角翼流動顯示，並給出了在固定攻角下，流動加速時的三角翼前緣渦圖片。對於三角翼在非定常流中的詳細研究，也是由Chih-Ming Ho教授領導的研究小組完成的。Lee, Shih和Ho在立式水洞中的實驗結果表明，渦破碎位置發生在翼型中部時，自由來流速度的振盪對渦破碎位置的影響較小。Gursul和Ho研究了不同展弦比和不同攻角下的非定常自由來流的影響，他們發現如果渦的破碎位置靠近後緣，那么渦的破碎位置對自由來流的變化非常敏感。同時升力測量結果表明，在小攻角下，相位平均升力係數隨減縮頻率變化不大，這些結果說明，由於渦對外界擾動的回響較快，因此非定常的影響沒有體現出來。而在大攻角下，前緣渦開始脫落，渦從前緣向後緣的傳遞時間變成重要的影響尺度，因此升力係數開始隨減縮頻率發生變化。Ismet Gursul和Chih-Ming Ho在非定常水洞中研究了三角翼上的渦破碎特性。研究表明，如果在定常自由流中渦破碎位置不在後緣或者離頂點很近，那么在同樣攻角下非定常自由來流對渦破碎位置的影響不是很強。而且，在自由流加速過程中，渦破碎位置會突然出現在上游某個位置，並受頻率和幅值的影響。流場速度測量表明，旋轉角(swirl angle)和環量不受渦破碎位置的影響。由於旋轉角保持常數，因此渦破碎位置隨時間變化特性可以認為是翼面上壓力梯度的變化造成的，因此在後緣處的壓力梯度變化被認為是很重要的影響因素。Hank I-Huang Lin通過流場顯示實驗、測力實驗、LDA和PIV測量，詳細研究了非定常自由流中的三角翼渦破碎特性。流場顯示結果表明，來流加速時渦的破碎位置突然在上游某位置出現，在來流減速過程中又向下游移動。測力結果表明，如果三角翼上的前緣渦沒有破碎，升力係數與減縮頻率無關，而當前緣渦發生脫落時，升力係數隨減縮頻率的變化而改變。速度場測量結果表明，在渦破碎過程中，渦核內的渦量發生重新分布。PIV測量瞬時流場結果表明，橫截面內的流動拓撲結構發生了改變。

俯仰振盪三角翼在非定常自由流中的運動

在南京航空航天大學已建成的國內首座非定常風洞內，研製了一套單自由度俯仰振盪實驗裝置，設訓一開發了一套對模型姿態和來流風速進行聯合控制的軟體。對一60度後掠三角翼模型進行了單獨俯仰振盪運動和俯仰振盪與自由來流耦合運動的實驗實驗結果表明：模型做單獨俯仰振盪時，振動頻率和振動幅值的影響只有在遲滯環出現後才起作用，而遲滯環的出現是由於翼而上的不同流態對外界擾動的反應時間不同造成的。非定常自由流對做俯仰振盪的三角翼氣動特性有很大的影響，模型上仰過程中來流的減速，進一步提高了最大升力係數，推遲了失速迎角;模型下俯過程中來流的加速，則更進一步推遲了升力係數恢復到靜態時的低當翼而上產生破碎渦流時，非定常自由流的作用表現得更為明顯。