[科普中国]-尾迹区

尾迹

飞机若想具有良好的失速特性，首先应保证机翼的分离是由内翼往外的缓慢分离;其次，在发生分离时，尾翼不得由于沉浸在机翼分离流的尾迹中而丧失其有效性。平尾通常位于机翼下游，故机翼尾迹对平尾的干扰是必然存在的。

目前，民航飞机主流机型的布局分为尾吊高平尾飞机和翼吊低平尾飞机。国外对尾吊高平尾飞机(例如DC-9 ) 进行了尾迹测量，结果表明高平尾飞机在较大迎角范围内，机翼尾迹流经平尾区，当迎角继续增大时机翼尾迹脱离平尾，短舱挂架的尾迹又流经平尾，使得平尾效率下降，导致高平尾飞机进入“深失速”。而翼吊低平尾是目前主流的气动布局形式，A320、B737等均为翼吊低平尾飞机，国产大飞机也正逐步涉足该领域，竞争剧烈。翼吊低平尾飞机与尾吊高平尾飞机的气动特性不同，机翼尾迹的干扰出现在中迎角与失速迎角之间，使平尾效率降低，从而降低了最大升力系数的使用范围，进而影响飞机的起落性能和安全性。

国外关于尾迹测量的相关研究较少，尤其对包含飞机力矩分析的研究鲜有报道;国内通常采用PIV法对部件尾迹进行测量，虽然该测量方法先进，但是价格昂贵。七孔探针是一种可以同时获得流动速度大小、方向及总压和静压的气动测量装置，己被广泛地应用于各种大角度的流动测量，例如风洞流场校测、大气传感器试验模拟以及风力机叶片的叶尖下游流场测量等。1

定义尾迹区是飞机或其部件的尾部受其前面边界层的影响拖下来的低于自由流速度充满涡流的流动区域。

背景和相关研究翼型的非定常绕流流动研究在飞行器及叶轮机械设计中有着非常重要的作用。翼型绕流边界层的非定常分离特性、翼型的尾迹流动以及尾迹涡系的结构，都包含了丰富的旋涡运动学、动力学问题，始终是涡动力学的重要研究对象在叶轮机中，叶片边界层的分离和转挨位置的变化，将对叶轮机的性能产生很大的影响。通过对这些流动现象进行深入的研究，可以清晰了解其内部物理图象，提出更有效的流动控制方法，设计出具有更好气动性能的翼型;同时也会丰富我们对涡动力学的理解。

现有的研究结果，许多都来自于实验:Hebbark在低速情况下用热线风速仪对零度攻角对称翼型的尾流进行了详细的实验测量，Yao利用PIV技术，对自然尾流翼型的近尾迹流动进行了测量，王光华和刘宝杰等利用PN技术研究了翼型近尾迹流动的运动学和动力学机制。但是，热线风速仪测量得不到瞬态的整个流场信息，而PIV技术的测量窗口大小有限，且响应频率较低要得到整个流场的时空高分辨率的非定常演化信息，目前看来，数值模拟方法不失为一种较好的解决方法。

由于目前现有的湍流模型难以对转挨，分离等流动过程进行准确的描述，基于雷诺平均N-S方程求解(RAN S)难以反映这些流动特征。从研究流动机理的角度出发，利用高精度数值模拟方法如直接数值模拟(DN S)和大涡模拟(LES)等，可以给出清晰细致的物理流动图象;其结果可以为流动控制提供新的思路和方法;同时，利用高精度数值模拟计算结果建立的数据库，也有助于建立和校验适于描述分离和转挨等流动现象的湍流模型。

随着计算机硬件性能快速提高和并行计算等方法的应用，直接数值模拟作为一种模拟真实流动的有效方法，获得了越来越多的应用。

研究现状由于尾迹区流动和叶片的附面层流动有直接的关系，因此控制和改善尾迹区的流动，可以参考控制附面层流动，特别是控制流动分离方面的技术，其中吸除和吹除附面层内部低能量是常用的思路和方法。

Ukhanova和Frankfurt在1984年一个对称翼型尾缘喷气得到了纯尾迹·无动量亏损尾迹和射流尾迹的速度分布。随后Park和Cimbala在1990年系统地研究了二维轴对称无动量亏损尾迹特征，对纯尾迹、弱尾迹、无动量亏损尾迹和喷射流动作了基础性的研究。Park和Cimbala对单一平板所产生的无动量尾迹进行了实验测量，证明用喷气以增加质量流的方法大幅改变尾迹结构及非稳态性是可行的。Horrdeoille和Fournier在1993年对于实际叶栅进行了实验研究，深入地探讨了叶片尾缘喷气和表面吸气对尾迹的影响。

在数值计算方面，Harsha早在1970年就成功地使用一方程模型模拟尾迹区的流动，模型中使用了剪切力与湍动能的关系式。常数项能满足很多尾迹区的流动，但是在尾迹中心线附近不是常数，此时需对其进行一些修正，使其满足尾迹中心线处的流动，预测的结果和实验结果很接近。2

攻角和尾迹区的关系北京航空航天大学的叶建等在0度和4度攻角条件下，对雷诺数为10000翼型绕流的尾迹区进行统计分析，所得流动图画大致相似，0度攻角下的统计量值具有很好的对称性。在距翼型尾缘0. 3 L以后的尾迹区，旋涡排列成类似涡街的结构，涡量的极值都位于旋涡中心，压力的极小值也位于旋涡中心，沿着流向，涡量极值的绝对值逐渐减小，压力的极小值逐渐增大在10度攻角下，翼型上表面从前缘开始分离，尾迹区统计分析结果所得图象与0度和4度完全不同，数值上较0度和4度结果大在翼型尾缘处，涡量的卷吸，高压力区域的形成，是旋涡脱落的条件，正向和反向旋涡的交替脱落，形成了类似涡街的结构。3