● 摘要
低雷诺数气动布局形式和对飞行环境的适应能力是微型飞行器(MAVs, Micro-Air-Vehicles)设计过程中需要考虑的关键问题。本文从MAVs的平面形状、弹性和来流干扰对布局气动特性的影响入手，分析了低雷诺数下不同平面布局的气动特性、绕流结构的发展、雷诺数对布局气动特性的影响以及弹性翼的振动与气动力之间的关系，并进一步研究了来流干扰对不同后掠三角翼气动特性的影响及其机理。 研究发现后掠角是影响布局气动特性的重要参数。随着后掠角的增大，升力线斜率越来越大，后掠角大于56°后升力线斜率趋于常值。低雷诺数下，小后掠布局的气动特性较好。在本实验研究的条件下，26°后掠的切尖三角翼综合气动效果最佳，失速特性较好，具有较大的浸润面积和较小的零升阻力系数，有利于增加MAVs的有效载荷和机动性能。中等后掠布局的失速特性较差，大后掠布局的阻力较大。数值模拟结果表明：随着后掠角的增大，前缘绕流结构的变化规律如下：横向前缘涡->较弱的一对前缘涡->较强的一对前缘涡。同时，侧缘涡越来越弱，在后掠角大于45°后，前缘涡对侧缘流动的影响增加，侧缘的绕流无法在上翼面形成集中涡。随着攻角的增大，侧缘涡涡核与上翼面的距离越来越大，侧缘涡对上翼面流动影响越来越小，直至消失。0°后掠布局的绕流结构特殊，随着攻角的增大，前缘绕流结构变化规律为：横向前缘涡->分离泡->螺旋涡。 雷诺数较大时，弹性翼具有增升和推迟失速的效果。在本实验范围内，雷诺数越大，这种效果越显著。在增升攻角范围内，弹性翼产生高频、高能、高速、大加速度和小振幅的振动，且振动主频为二阶反对称模态的频率。 弹性具有改善三角翼失速特性和增升的能力。随着弹性的增加，弹性翼的最大升力系数提高，失速攻角推迟，增升范围增加，且弹性越大增升的能力越强。研究进一步发现二阶对称和反对称模态频率是增升和推迟失速的必要非充分条件，振动还须为高能、高频、高速、大加速度和小振幅的振动，才可达到增升和推迟失速的效果。二阶对称和反对称模态的振型表明，此时机翼前缘振动面积较小，振幅较大，便于能量集中，有利于对前缘绕流进行激励，增强前缘流动的能量，这可能是造成这两个模态均具有增升作用的重要原因之一。 来流干扰对不同后掠三角翼气动特性的影响不同。上游圆柱干扰可以改善中小后掠三角翼的失速特性，后掠角为25°时，在较小攻角下还呈现一定的减阻效果，但对细长三角翼而言，情况则截然相反，加入圆柱干扰后其失速特性恶化。表面油流实验和数值模拟结果均显示，对于25°后掠的三角翼而言，干扰圆柱的尾迹能够降低背风面的吸力系数，导致压差阻力降低，在较小攻角下三角翼的总阻力降低。较大攻角时，上游干扰圆柱脱落的涡量能够进入三角翼的前缘涡涡核，三角翼前缘涡的涡量增强，能够抑制前缘涡破裂，减小回流区，有效推迟失速，改善失速特性。后掠为40°时，在上游加入干扰圆柱能够改善三角翼失速特性，机理与25°后掠时的相同。对于后掠为70°的细长三角翼而言，加入干扰圆柱后，三角翼背风面吸力系数和迎风面压力系数均降低，造成升力系数下降，失速特性变差。