仿生覆羽控制固定翼无人机流动失速风洞实验.pdf
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1、文章编号:0258-1825(2023)10-0052-09仿生覆羽控制固定翼无人机流动失速风洞实验刘一宏1,2,3,马兴宇1,*,巩绪安1,黄逸军1,王勇4,姜楠1(1.天津大学机械工程学院天津市现代工程力学重点实验室,天津300354;2.西北工业大学翼型、叶栅空气动力学国家级重点实验室,西安710072;3.西南交通大学牵引动力国家重点实验室,成都610031;4.中国空气动力研究与发展中心气动噪声控制重点实验室,绵阳621000)摘要:研究了基于鸟类仿生学设计的人工柔性锯齿形覆羽在平直机翼大攻角失速流动控制中的作用。实验在天津大学低速回流式低湍流度风洞中进行,以展长 1.0m、弦长 3
2、00mm 的 NACA0018 平直机翼模型在 15攻角条件下产生的失速流动作为研究对象,基于弦长的雷诺数为 Re=5.1105。实验中,将柔性覆羽沿展向分别安装在机翼上翼面的不同位置处,利用单丝热线风速仪扫掠测量机翼尾流的速度信号,并与无控制工况的平均速度、脉动速度、功率谱密度等对比。实验结果显示:在 20%c 位置工况中,柔性覆羽装置吸收来流中的能量,随上翼面流动自适应振动;在 80%c 位置工况中,柔性覆羽处于准平衡位置,并伴随微小振动。两种工况的尾流区平均速度亏损恢复明显,同时前缘剪切层和尾缘剪切层中的湍流脉动均明显降低,两种工况均实现了流动失速的有效控制。进一步的功率谱密度和离散小波
3、分析显示,柔性覆羽的自适应振动能有效地抑制剪切层中低频、大尺度结构(fc/U1),并将其转化为高频、小尺度结构(fc/U3),增强了前缘剪切层和尾缘剪切层的相干性。该研究结论揭示了类鸟类柔性覆羽在平直机翼大攻角失速流动控制中的作用机理。关键词:仿生学;风洞实验;覆羽;失速流动;流动控制;热线风速仪中图分类号:Q811.6;O357.5文献标识码:Adoi:10.7638/kqdlxxb-2022.0204Wind tunnel experiment on control of stalling flowof fixed wing UAV with bionic covertsLIUYihong
4、1,2,3,MAXingyu1,*,GONGXuan1,HUANGYijun1,WANGYong4,JIANGNan1(1.Tianjin Key Laboratory of Modern Engineering Mechanics,School of Mechanical Engineering,Tianjin University,Tianjin300354,China;2.National Key Laboratory of Science and Technology on Aerodynamic Design and Research,NPU,Xian710072,China;3.S
5、tate Key Laboratory of Traction Power,Southwest Jiaotong University,Chengdu610031,China;4.Key Laboratory of Aerodynamic Noise Control,China Aerodynamics Research and Development Center,Mianyang621000,China)Abstract:Inthispaper,theexperimentalstudyofstallcontrolofastraightwingbybio-inspiredflexiblese
6、rratedcovertswasconductedinthesubsonicclose-looplow-turbulencewindtunnelinTianjinUniversity.TheNACA0018wingmodelhadachordof300mmandaspanof1.0m,anditwasinstalledattheangleofattackof15,resultinginastallingflowphenomenoninthewake.Thechord-basedReynoldsnumberwas Re=5.1105.Thespanwisecovertswerefixedatmu
7、ltiplepositionsontheuppersurface,andtheresultingwakeflowvelocitywasmeasuredwiththehot-wireanemometer.Theaveragedvelocity,fluctuatingvelocityandpowerspectral收稿日期:2022-12-29;修订日期:2023-02-10;录用日期:2023-03-12;网络出版时间:2023-03-27基金项目:国家自然科学基金(11902218,11972251,12172242,12272265,12202310);翼型、叶栅空气动力学国家级重点实验室稳
8、定支持经费项目(61422010301);气动噪声控制重点实验室开放课题(ANCL20230108);西南交通大学牵引动力国家重点实验室开放课题(TPL2306);中德合作研究小组计划(GZ1575);天津市研究生科研创新项目资助(2022SKY058)作者简介:刘一宏(1999-),男,河北沧州人,硕士研究生,研究方向:实验流体力学.E-mail:Liuyh_通信作者:马兴宇*,副教授,研究方向:实验流体力学.E-mail:引用格式:刘一宏,马兴宇,巩绪安,等.仿生覆羽控制固定翼无人机流动失速风洞实验J.空气动力学学报,2023,41(10):5260.LIUYH,MAXY,GONGXA,e
9、tal.WindtunnelexperimentoncontrolofstallingflowoffixedwingUAVwithbioniccovertsJ.ActaAerodynamicaSinica,2023,41(10):5260(inChinese).doi:10.7638/kqdlxxb-2022.0204第41卷第10期空气动力学学报Vol.41,No.102023年10月ACTA AERODYNAMICA SINICAOct.,2023densityetc.werecomparedbetweenthecaseswithandwithoutcontrol.Experimental
10、resultsshowthatthecovertsatthe20%chordadaptivelyflapwiththeflow,whereasthecovertsatthe80%chordslightlyflutterataquasi-equilibrium position.The averaged velocity loss in the wake zone is recovered obviously in the twoconditions,andtheturbulentfluctuationintheshearlayersofboththeleadingandtrailingedge
11、sdecreasesobviously.Thecontroleffectonthestallingflowisrealizedunderbothconditions.Moreover,thepowerspectraldensities and discrete wavelet analyses reveal that the adaptive coverts suppress the low/medium-frequencylarge-scaleflowstructures(fc/U1),andconvertthemintohigh-frequencysmall-scaleones(fc/U3
12、),leadingtohigherspectralcoherencebetweentheleadingedgeandtrailingedgeshearlayers.Themechanismofbirdcovertsinstallingflowcontrolathighangleofattackofastraightwingisthusrevealed.Keywords:bionics;windtunnelexperiment;coverts;stallingflow;flowcontrol;hot-wireanemometer 0 引言固定翼无人机以长航时、高机动、大载荷等特点,在航拍探测、抢
13、险通信、察打一体等应用场景中发挥着越来越重要的作用。然而,中低空复杂风切变和强对流大气运动对固定翼无人机的飞行稳定性提出了挑战。仿生学思想在科学研究以及工程设计方面具有重要的作用。众所周知,鸟类为在中低空复杂气流运动中飞行,进化出了高效的飞羽-覆羽结构。李丹宇等(2017)1依据四种常见鸟类进行了相关飞羽研究,发现鸟类的飞羽能够有效提升升力,从而有效提高飞行效率。刘昌景等(2018)2对猛禽覆羽的研究发现,鸟类的覆羽结构能够更好地降低飞行噪声。当鸟类的翅膀在大攻角条件下出现前缘分离流动时,上翼面的覆羽结构会自适应随风向上抬起3,从而抑制流动分离。Harvey等(2022)4提出鸟类的飞行控制很
14、可能依赖于分布式感知和快速的神经处理,而工程和生物学科之间有大量的重叠,Harvey 等希望通过了解鸟类飞行的原理,将其应用到无人机制造方面。受鸟类覆羽的启发,如果能在无人机机翼上加装仿生学人工覆羽,达到有效控制流动失速的目的,这将有效提升无人机性能。根据仿生学人工覆羽的材料刚度,将材料分为两种:柔性材料与刚性材料。Wang 等(2021)5通过对扑翼运动进行数值仿真研究,发现柔性材料展现出更优的空气动力学性能。Rosti 等(2017)6在低雷诺数下安装柔性襟翼,对襟翼的长度、固有频率和位置的影响进行了参数化研究。Nair 等(2022)7发现仿生学羽翼平均挠度的刚度改变了主要的流动特性。改
15、善机翼的流动失速现象,可以在机翼上加装控制流动失速的装置。李彪辉等(2020)8对比了柔性材料与刚性材料,发现柔性材料抑制前缘流动分离的效果更明显,因为柔性材料可以抑制前缘剪切层旋涡脱落后的传播扩散过程9。材料的加装位置以及材料的形状也是控制流动失速的重要因素,马兴宇等(2022)10将柔性覆羽装置加装在机翼的中间靠后位置,发现流动分离控制效果良好。在机翼上加装装置的数量也是影响因素之一,加装多个装置会将旋涡依次输送到每一个装置后面,对后缘流动产生了有益干扰,增加了束缚环流11,当机翼表面增加仿生学翅翼后,翅翼的末端刚好接触到机翼后方湍流结构区域的边缘处时,流动分离控制效果表现更为优秀12,不
16、同的波形齿也会对应不同尺度的涡,从而也对流场产生不同影响13。机翼飞行攻角的不同也会导致流动分离现象产生变化,在攻角由负转正的过程中,流动分离现象随之出现,但随着攻角的不断增大,流动分离现象逐渐减弱14。模仿鸟类的自适应襟翼在机翼上加装人工自适应襟翼,通过改变攻角,在改变机翼升力的同时,还能有效控制流动分离15-16。为尽可能地减小噪声,周朋等(2022)17通过在机翼尾缘加装锯齿,将尾缘锯齿和丝绒结构组合,证实可以降低尾缘噪声的高频噪声分量。此外,翼型的几何形状也影响噪声结果,Smith 等(2022)18将翼型沿展向设计成波浪形的几何形状,该设计可以有效地降低尾缘噪声。本文受鸟类的覆羽启发
17、,拟设计仿生学人工柔性锯齿形覆羽(下文简称柔性覆羽),安装在固定翼无人机机翼上翼面不同位置,采用热线风速仪测量尾流中的速度,并分析其流动控制效果。1 实验设备U实验在天津大学低湍流度回流式风洞中进行,风洞实验段尺寸 2.3m(长)1.0m(宽)1.0m(高),可调风速范围 560m/s,湍流度约为 0.1%。机翼采用NACA0018 翼型,平直截面设计,弦长 c=300mm,展长 s=1.0m,模型垂直安装在实验段中心(图 1)。实验风速=25.0m/s,基于弦长的雷诺数 Re=5.1105,机翼攻角=15。基于前期实验19研究结果,第10期刘一宏等:仿生覆羽控制固定翼无人机流动失速风洞实验5
18、3以 x 轴为流向、y 轴为法向在翼型尾流区建立坐标系,同 时 在 x=210 mm(即 x/c=0.7)位 置、y=80180mm 范围内共选取 20 个测点,其中包括前缘剪切层 14 个测点和尾缘剪切层 5 个测点,测点y 轴坐标分别为80、50、35、25、15、0、15、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、135、150、180(单位:mm,机翼中心处 y=0mm,如图 2 所示)。热线风速仪采用 4000Hz 采样频率,每一个测量点采样时长 65.5s。图 1 低速回流式风洞实验段与三维控制座标架Fig.1 Low-speed close-loop wi
19、nd tunnel and 3D control frameIncoming flow18030155210yHot-wire probes15Coverts8020s=1000390c=300Incoming flow40%c(a)实验装置侧视图及柔性覆羽图(b)NACA0018机翼和柔性覆羽三维图x20 test points图 2 实验装置示意图(单位:mm)Fig.2 Schematic diagram of the experimental devices(unit:mm)人工覆羽装置采用 0.5mm 厚度的硅胶柔性薄膜材料,设计成锯齿形覆羽形状,如图 2(a)所示。柔性覆羽的锯齿底
20、部连接部分的长度为 20mm,齿长为30mm,齿宽为 15mm。20mm 长的连接部分可以有效地防止分离区出现回流。同时,连接部分的设计类似于鸟类翅膀覆羽底端的重叠部分,与锯齿部分相对比,连接部分出现的颤振和实验过程中产生的变形会更小,从而能更有效地改善机翼后方的湍流结构的扩散角度。实验主要研究平直机翼准二维流动下的结果。在机翼的中间部分,流动方向集中在流向-法向平面,沿展向变化很小,接近于准二维流动。但机翼两侧受到风洞壁面边界层的影响,使得机翼两端不是二维翼型绕流而是三维流动,所以柔性覆羽仅安装在机翼沿展向的中间位置。针对柔性覆羽位置对流动的影响,实验过程中将柔性覆羽安装在机翼上翼面 6 个
21、不同弦长位置(如图 2b 所示,10%c、20%c、40%c、60%c、80%c、100%c),与干净机翼共 7 种工况进行对比。实验过程中将柔性覆羽沿壁面粘贴在机翼上,因整个覆羽是柔性材料制成,所以可以认为是铰接在机翼上,柔性覆羽在气流作用下可以随风抬起和振动20。实验中采用 IFA300 单丝热线风速仪测量模型尾流平均速度型和湍流脉动信号。单丝热线探针采用过热比为 1.5、直径 5m、长度 2mm 的钨丝,利用TSI 自动控制坐标系统 CCTS-1193E 移动探针位置,测量尾流中 20 个固定点的速度信号。采样平面为机翼展长的 50%位置处,在此位置可以有效减少对来流的影响21。实验过程
22、中,以机翼的中心位置(即机翼 50%c)为原点建立二维坐标系,其中,坐标系的x 轴为来流方向,y 轴为来流的法向。2 数据处理 2.1 流场时域结果UUUrms图 3 展示了在不同位置的柔性覆羽作用下,机翼尾流的时间平均速度分布。图 4 展示了不同位置的柔性覆羽作用下,机翼尾流脉动速度均方根(RMS)分布。图中为平均速度、为来流速度、为脉动速度均方根。由图 3 可见,干净机翼的平均速度分布在 y/c=0.17 处出现大幅下降、在 y/c=0.45 处得以恢复。在40%c、60%c、100%c 处加装柔性覆羽及干净机翼工况出现了平均速度最小值。在 20%c 处加装柔性覆羽时,平均速度最低点的值增
23、大,说明速度亏损情况得到改善。在 10%c 和 80%c 处加装柔性覆羽时,平均速度只在 y/c=0.08 处存在一个较小的波动,尤其是80%c 处加装柔性覆羽的工况,平均速度从下降到恢复的影响区域最小,推测将柔性覆羽加装在此处能有效缩短两剪切层之间的距离。以上分析表明,柔性覆54空气动力学学报第41卷羽加装在 20%c 和 80%c 处时,平均速度恢复效果较好。0.25 0.15 0.05 0.05 0.15 0.25 0.35 0.45 0.55 0.65y/c00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.1Clean10%c20%c40%c60%c80%c100%cU
24、/U图 3 x/c=0.7 截面各工况的平均速度分布Fig.3 Averaged velocity distribution at x/c=0.7for each working condition0.25 0.15 0.05 0.05 0.15 0.25 0.35 0.45 0.55 0.65y/c00.050.100.150.200.25Urms/UClean10%c20%c40%c60%c80%c100%c图 4 x/c=0.7 截面各工况的湍流脉动强度分布Fig.4 Turbulent fluctuation intensity distribution at x/c=0.7for e
25、ach working condition另一方面,尾流中脉动速度的均方根曲线表示前缘剪切层和尾缘剪切层的位置变化。从图 4 中可以看出,干净机翼工况中,在 y/c=0.12 处和 y/c=0.27处均出现了峰值。对比 7 个工况前缘剪切层以及尾缘剪切层的无量纲速度 RMS 峰值,发现将柔性覆羽加装在 10%c 处时,RMS 有且只有一个峰值,说明前缘剪切层和尾缘剪切层的两个峰值已经融合成了一个峰值。各个加装柔性覆羽的工况的 RMS 峰值均相对于干净机翼工况的峰值有所下降,说明在机翼上加装柔性覆羽后,对流动失速现象起到了有效的控制作用。同时,柔性覆羽加装的位置不同,控制效果也有所不同,当柔性覆
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