翼型失速颤振是大迎角动态失速非定常气动力与俯仰单自由度结构耦合产生的一种气动弹性失稳现象。其不仅会降低飞行器的气动效率，而且会使得临界颤振速度降低，导致结构疲劳甚至破坏，严重影响飞行性能和安全，必须对其进行减缓控制。蒙皮主动振动流动控制具有结构简单易实现，驱动能量消耗少的优点，被广泛应用于延缓分离、增升减阻等方面，并在层流分离颤振和跨音速抖振减缓控制方面展现出优异的控制效果。层流分离颤振和跨音速抖振的振荡幅值相对较小，失速颤振振荡幅值极大，与前两者存在明显差异，基于蒙皮主动振动的失速颤振减缓控制效果和控制机理目前均不明晰。
因此，本文以翼型上下表面均布置有主动振动蒙皮的俯仰振荡NACA0012翼型为研究对象(如图1所示)，开展了基于蒙皮主动振动的翼型失速颤振减缓控制数值研究。研究发现：
图1 研究对象
(1) 如图2所示，对于不同的蒙皮主动振动位置，均存在一个相位，使得气动力矩周期做功最小；随着蒙皮主动振动位置的后移，最优相位不断减小，最优相位对应的气动力矩周期做功先减小后增大，在蒙皮右端点位置xm,2=0.6时，控制效果最好，气动力矩周期做功相较于控制前降低达46%；同时发现，最优相位控制效果变好的同时，会导致有效控制的相位范围变窄。
图2 不同蒙皮主动振动位置下控制效果随相位的变化曲线
(2) 如图3、4所示，施加蒙皮主动振动控制后，在抬头阶段，蒙皮鼓起在上翼面产生了大尺度顺时针涡，导致气动力矩峰值降低；在低头阶段，后缘涡强度减弱，第二前缘涡增强，导致气动力矩谷值增大，两者共同作用导致气动力矩周期做功降低，失速颤振振荡幅值降低。
图3 不同蒙皮主动振动位置下最优相位气动力矩滞回曲线
图4 控制前后主要时刻流场图
团队介绍
北京航空航天大学气动弹性研究室隶属于航空科学与工程学院飞机系，是专门从事气动弹性研究的实体，有50余年的科研与教学历史。科研成果成功应用于中国数十个飞机型号和导弹型号，与国内数十个科研生产单位有着良好的合作关系，为中国飞行器气动弹性设计培养和输送了大批专业人才。目前气动弹性研究室有专职教师8人，主要研究方向包括：飞行载荷与多学科优化、复合材料气动弹性剪裁、气动伺服弹性主动控制、非线性气动弹性、弹性飞行器飞行动力学、气动弹性试验新方法，以及新概念飞行器总体设计等。
夏莹洁(第一作者)，北京航空航天大学航空科学与工程学院飞行器设计专业博士研究生，主要研究方向为分离流诱导的极限环振荡机理分析与控制、柔性薄膜流动控制技术等。参与国家自然科学基金等纵横向课题共7项，在Physics of Fluids、Ocean Engineering等SCI期刊发表论文7篇，授权/受理国家发明专利/计算机软件著作权5项，获中国航空学会首届空天博士生大赛全国总决赛“杰出选手”。
戴玉婷，北京航空航天大学航空科学与工程学院飞机系系主任，教授，国家级青年人才。主要研究领域为飞行器设计、气动弹性、流固耦合与主动控制。在Physics of Fluids、AIAA Journal、Aerospace Science and Technology等国内外重要学术期刊发表论文40余篇。获省部级科学技术奖励4项，中国空气动力学会青年人才奖、青年人才托举工程支持。
黄广靖(通讯作者)，北京航空航天大学航空科学与工程学院卓越师资博士后，主要从事低雷诺数流致振动机理分析与控制、薄膜翼流固耦合特性与压电能量收集、智能变形气动弹性控制等研究工作。主持国家自然科学基金青年基金1项，入选“国家博士后创新人才支持计划”，获中国航空学会优秀博士学位论文奖，以第一作者/通讯作者在Physics of Fluids、Aerospace Science and Technology、Ocean Engineering等SCI/EI期刊发表论文10余篇，授权/受理国家发明专利/计算机软件著作权9项。
杨超，北京航空航天大学航空科学与工程学院教授，国家级教学名师，“航空航天概论”国家级精品课/一流课程负责人，航空器先进设计技术工信部重点实验室主任。主要从事飞行器气动弹性与控制、新概念飞行器设计与验证、柔性飞行器飞行动力学等研究，主持基础加强重点、科技部重点研发计划、军民预研、重大/重点型号攻关等项目课题数十项，发表学术论文120余篇，获得省部级科技成果二等奖3项、三等奖5项。
文章信息
Stall flutter mitigation of an airfoil by active surface morphing
Yingjie Xia (夏莹洁); Yuting Dai (戴玉婷); Guangjing Huang (黄广靖); Chao Yang (杨超)
Physics of Fluids 36, 083612 (2024)
https://doi.org/10.1063/5.0222902
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期刊介绍
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