本技术涉及一种利用阵列式电晕微吹气技术实现湍流摩擦减阻的装置与方法。该装置主要由电晕放电腔体板(1)和放电电极(2)构成,其中电晕放电腔体板(1)正面设有多个圆柱形斜微孔,作为电晕放电的阳极,这些微孔设计用于产生电晕放电,以降低湍流摩擦阻力。
背景技术
在空气动力学领域,减阻一直是飞机气动设计的追求。飞机在亚音速巡航时,约一半的阻力来源于壁面摩擦阻力。因此摩擦阻力与燃料的消耗有着直接的联系。民航业中,经过核算,机票售价的30%~40%用于支付燃油费用。降低飞机湍流摩擦阻力能显著增大飞机航程与航时,减少环境污染与燃油消耗,降低飞行成本,对于提升飞机飞行性能与经济效能。
为实现飞机摩擦减阻,人们发展多种流动控制方式,将其主要分为被动控制和主动控制两种方式。典型的被动流动控制方式以沟槽为主。沟槽指在壁面处沿展向周期性布置的流向突起,其通过对湍流边界层底层条带结构进行分隔,能够实现8%~10%左右的减阻效果,但其适应性较差,工作范围有限,大部分沟槽只能在很小的雷诺数范围内实现最佳减阻,一旦由于飞行速度、高度或者天气变化等原因偏离设计雷诺数,减阻效果会大幅度下降,甚至出现增阻,并且其扰动效果有限,在来流速度增大的情况下,固定的沟槽间距无法与变密的湍流条带结构间距相匹配,难以对湍流边界层形成有效干预,从而失去减阻效果。而上述改变在实际飞行中是不可避免的,这导致在实际飞行中简单的沟槽难以实现减阻应用。
典型的主动流动控制方法有吹气、展向壁面振荡等,具有较强的适应性,吹气方法能够实现20%~30%的湍流减阻效果,而展向壁面振荡能使湍流摩擦阻力减小45%。然而,主动控制方法往往需要复杂的引气管路、气源、马达以及复杂的机械结构等,同时传统的吹气方法需要从发动机引气,损害发动机性能。驱动吹气和展向壁面振荡所消耗的能量和代价要超出其所带来的减阻收益,使其无法得到实际应用。
等离子体湍流减阻方法是一种新型的主动减阻方法,具有结构简单、减阻代价小等优点,是最具有实际应用前景的湍流减阻方法,成为近年来的研究热点。在等离子体湍流减阻方法中,常用的是介质阻挡放电,其能够在20m/s的来流速度下,实现11%的翼型湍流摩擦减阻效果。然而,由于介质阻挡放电的强度十分有限(诱导速度一般仅有2~3m/s),当来流速度增大到30m/s时,减阻效果迅速下降至2.6%;当来流速度进一步增大时,减阻效果消失,并且介质阻挡放电90%为热效应,机械效率低,难以实现实际应用。因此亟需寻求效益更高、更加灵活的等离子体湍流减阻方法,以在更高的来流速度下实现高效减阻。
大量研究表明,在湍流边界层中,利用微孔材料在壁面产生法向微吹气能够显著降低边界层底层的速度和速度脉动,在边界层底层形成低速区和低脉动区,进而在较高的来流速度下有效减小湍流摩擦阻力。然而,上述微吹气的产生普遍需要复杂的管路从飞机发动机内部引出高压气体,在给飞机带来严重的结构和重量负担的同时损害发动机性能,使减阻获得的收益难以抵消其带来的损耗,难以实现实际应用。
实现思路