一种利用机体振动能量的展向振荡壁面减阻结构

本发明涉及航空及空气动力学领域，具体涉及一种利用机体振动能量的展向振荡壁面减阻结构。

背景技术：

1、对于运输类的航空飞行器而言，摩擦阻力可能占到总阻力的50％以上，如常用的a320民航客机，阻力每增加1％，每次飞行便会多消耗3吨燃油，这意味着在起飞重量相同情况下，会缩短120公里航程；而升阻比提高1％，可以增加14位乘客；如果是更大尺寸的飞机，其经济效应会更显著。超大展弦比的长航时无人机、飞翼式布局飞机的摩擦阻力在总阻力的占比中比例会更高，减小摩擦阻力的性能提升就会更加突出。美国空军自2014年启动了esmc项目(the engineered surfaces,materials and coatings program)，旨在通过减小6％左右的摩擦阻力，而这会使得每年的燃料费用减少4亿美元。对于流线型好的水下航行器而言，摩擦阻力甚至可占总阻力的80％以上，减小摩擦阻力就能够显著提高航行性能指标。对于风力机而言，国外科技人员通过使用表面沟槽结构，不仅可以减小气动阻力，还可以延缓风力机叶片的失速并缓和风力机的载荷波动。此外，叶片上增加表面沟槽还可以提高5％的发电功率。如果按照中国2019年的风力机发电量4057亿度电计算，应用沟槽减阻技术的风力机每年可以增加发电量202.85亿度电。对于高铁而言，如果减小2％的阻力，按每天100辆列车运行10小时计算，每天可以节省用电两百万度电力。因此，减阻对于大多数运载器而言，都具有极大的价值。

2、到目前为止，国内外科研人员开展了多年的研究工作，致力于减阻方法的探索，已经公开了很多减小摩擦阻力的方法。减小摩擦阻力的方法有主动和被动方法两种。主动方法往往需要额外输入能量，且驱动措施复杂，目前应用于实际工程上的很少。被动方法由于成本低、实施简便获得了更多的青睐，例如上述的微型沟槽壁面减阻。可是被动减阻方法往往减阻效果有限，如微型沟槽减阻最多只能减少10％的摩擦阻力(实际工程应用中达不到这一指标)，而主动技术往往可以达到更大的减阻效果。根据已有研究结果表明，让壁面以某种参数作展向小幅振荡就可以减少摩擦阻力40％，远远高于沟槽减阻方法。但是，目前壁面作展向振荡的方法往往被看作一种只是存在于学术研究的层面，这是因为实际工程中人们无法让壁面整体作展向振荡，而且需要额外的驱动动力。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种利用机体振动能量的展向振荡壁面减阻结构，通过在机翼表面设计活动壁面，将工程中无法消除的机体振动能量转化为壁面减阻所期望的展向振荡，达到减阻的目的。

2、为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

3、一种利用机体振动能量的展向振荡壁面减阻结构，包括设置在航空飞行器机翼表面的活动壁面，所述活动壁面为整块或者多块拼合形式，活动壁面平行于机翼表面，活动壁面与机翼表面之间通过多道弹性结构的肋条片连接；肋条片的长度方向沿机翼的航向，肋条片的厚度方向倾斜于活动壁面和机翼表面。

4、进一步地，肋条片与机翼表面、活动壁面之间的夹角为70°，肋条片为长条矩形结构。

5、进一步地，所述活动壁面布置在机翼上表面、机翼下表面，或者同时布置在机翼上下表面。

6、进一步地，所述活动壁面在机翼表面的布设区域的确定过程为：

7、确定航空飞行器在巡航状态下机翼进入湍流阶段的位置，以及边界层厚度δ、表面运动粘性系数ν和表面摩擦速度uτ，这些参数可以通过实际航行试验或者对航空飞行器建模后进行数值模拟得到；则所述布设区域为：

8、在航向上从机翼进入湍流阶段的位置开始，至距离航空飞行器副翼十二倍边界层厚度δ为止；在展向上从距离机翼翼根十二倍边界层厚度δ起始，至距翼梢十二倍边界层厚度δ为止。

9、进一步地，肋条片材料的弹性模量根据如下要求来选取：

10、肋条片连接机翼表面和活动壁面后，在展向上的最大位移为

11、其中，a+为无量纲最大展向速度，t+为无量纲振荡周期，这两个数据通过数值模拟方案确定；ν为表面运动粘性系数，uτ为表面摩擦速度。

12、进一步地，无量纲最大展向速度a+＝12，无量纲振荡周期t+＝100。

13、进一步地，无论是采用多块壁面拼合或者是整块结构的活动壁面，活动壁面均应当布置在所述布设区域内，其最大外形应当与布设区域相同或小于布设区域。

14、进一步地，采用多块壁面拼合式结构时，相邻的壁面之间不连接，各自通过肋条片连接于机翼表面。

15、一种航空飞行器，该航空飞行器的机翼表面布置有所述利用机体振动能量的展向振荡壁面减阻结构。

16、与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：

17、本发明通过活动壁面的设计，将飞行器机体难以消除的振动能量转化为活动壁面块的展向振荡能量，达到减小摩擦阻力的效果；同时因为减弱了附面层近壁涡系的强度，还能够达到减小噪声的效果。从数值计算结果看，活动壁面展向振荡可以达到减小30％以上摩擦阻力的效果。

技术特征：

1.一种利用机体振动能量的展向振荡壁面减阻结构，其特征在于，包括设置在航空飞行器机翼表面的活动壁面，所述活动壁面为整块或者多块拼合形式，活动壁面平行于机翼表面，活动壁面与机翼表面之间通过多道弹性结构的肋条片连接；肋条片的长度方向沿机翼的航向，肋条片的厚度方向倾斜于活动壁面和机翼表面。

2.根据权利要求1所述的利用机体振动能量的展向振荡壁面减阻结构，其特征在于，肋条片与机翼表面、活动壁面之间的夹角为70°，肋条片为长条矩形结构。

3.根据权利要求1所述的利用机体振动能量的展向振荡壁面减阻结构，其特征在于，所述活动壁面布置在机翼上表面、机翼下表面，或者同时布置在机翼上下表面。

4.根据权利要求1所述的利用机体振动能量的展向振荡壁面减阻结构，其特征在于，所述活动壁面在机翼表面的布设区域的确定过程为：

5.根据权利要求1所述的利用机体振动能量的展向振荡壁面减阻结构，其特征在于，肋条片材料的弹性模量根据如下要求来选取：

6.根据权利要求5所述的利用机体振动能量的展向振荡壁面减阻结构，其特征在于，无量纲最大展向速度a+＝12，无量纲振荡周期t+＝100。

7.根据权利要求1所述的利用机体振动能量的展向振荡壁面减阻结构，其特征在于，无论是采用多块壁面拼合或者是整块结构的活动壁面，活动壁面均应当布置在所述布设区域内，其最大外形应当与布设区域相同或小于布设区域。

8.根据权利要求1所述的利用机体振动能量的展向振荡壁面减阻结构，其特征在于，采用多块壁面拼合式结构时，相邻的壁面之间不连接，各自通过肋条片连接于机翼表面。

9.一种航空飞行器，该航空飞行器的机翼表面布置有根据权利要求1-8中任一项所述的利用机体振动能量的展向振荡壁面减阻结构。

技术总结本发明公开了一种利用机体振动能量的展向振荡壁面减阻结构，包括设置在航空飞行器机翼表面的活动壁面，所述活动壁面为整块或者多块拼合形式，活动壁面平行于机翼表面，活动壁面与机翼表面之间通过多道弹性结构的肋条片连接；肋条片的长度方向沿机翼的航向，肋条片的厚度方向倾斜于活动壁面和机翼表面。本发明通过活动壁面的设计，将飞行器机体难以消除的振动能量转化为活动壁面块的展向振荡能量，达到减小摩擦阻力的效果；同时因为减弱了附面层近壁涡系的强度，还能够达到减小噪声的效果；从数值计算结果看，活动壁面展向振荡可以达到减小30％以上摩擦阻力的效果。技术研发人员：叶正寅,张昭朋,叶坤,周欣欣受保护的技术使用者：西北工业大学技术研发日：技术公布日：2024/12/2