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环量

环量(circulation)是流体速度沿着一条闭曲线的路径积分,通常用Γ来表示。

一个矢量沿一条封闭曲线积分,得到的结果叫环量。

环量控制由边界层控制发展而来,目前已成为一个专门课题。所谓环量控制,是指在后缘为圆弧形的翼型后部上表面开缝,气流从缝中喷出,挟带着上面的气流绕后缘流动,直到在后缘某点分离,由此在该翼型上形成环量,产生升力

环量(circulation)流体速度沿着一条闭曲线的路径积分,通常用Γ来表示。

一个矢量沿一条封闭曲线积分,得到的结果叫环量。

环量的量纲是长度的平方除以时间。

通过控制边界层可改变处于气流中物体的升力。实验证明沿壁面从缝隙喷气给边界层补充能量,可推迟边界层分离,从而达到增升减阻的目的。如图展示了边界层控制在机翼上的几种应用方式。

环量控制由边界层控制发展而来,目前已成为一个专门课题。所谓环量控制,是指在后缘为圆弧形的翼型后部上表面开缝,气流从缝中喷出,挟带着上面的气流绕后缘流动,直到在后缘某点分离,由此在该翼型上形成环量,产生升力

环量控制翼型是一种高升力翼型,其升力产生机理是:通过设在翼型上的喷口喷气给边界层以补充能量,推动边界层分离点后移,同时喷气气流对外流产生“裹携”作用,使绕翼型的流动产生很大的环量,从而获得高升力。Gregory McGowan、 Geffrey M. Lilley、 Warren J.Baker and Eric G. Paterson、Kai Christoph Pfingsten and Rolf Radespiel、Peter A. Chang, III等人用不同方法对二维、三维环量控制翼型进行了深入研究,发现喷气速度、雷诺数、缝隙几何参数等对翼型气动特性有很大影响。

环量控制理论在上世纪初提出,很早已应用于固定翼飞机,且发展比较成熟。1966年Cheesem首先提出将环量控制应用于直升机旋翼,并设计了圆形横截面的桨叶,通过环量控制产生升力。自上世纪六十年代初,环量控制被用于产生高升力,许多科学家进行了研究。1976年,美国麦道直升机公司开始探索直升机无尾桨技术,把环量控制技术应用于直升机尾梁,经过大量试验和试飞验证,证明环量控制尾梁完全可以代替传统尾桨。 1980年,美国陆军应用技术实验室和美国国防部高级技术研究局与被麦道公司合并前的休斯直升机公司共同签订一项设计和制造一架无尾桨直升机原型机的合同。1981年,麦道公司将OH-6A改装成无尾桨直升机原型机,同年12月首次试飞。1986年3月,经过重大修改的这架原型机重新试飞。1988年,麦道公司着手将MD500, 530发展为无尾桨直升机MD 520N/530N/900等,前两种于1989年2月首次试飞,后者于1994年8月首次试飞,目前均已投入使用。

前苏联在1970年进行了环量控制方面的实验,在1990年开始研制无尾桨直升机,卡莫夫设计局研制了一种单旋翼5座无尾桨公务运输直升机一一卡-118。1990年2月4日,卡莫夫设计局在国际直升机学会上首次宣布了这项直升机研制计划,曾计划于1995年之前试飞。但其具体研究工作对外秘而不宣,至今仍未见其研制情况的相关报道和研究资料。

国内在无尾桨技术领域的研究工作起步较晚,南航张呈林教授等人在1993-1996年在国内首次开展了“环量控制的无尾桨概念(NOTAR)研究”,在分析、借鉴国外研究工作基础上,通过模型试验研究了尾梁环量控制原理及其实现方法,得到了一些有指导意义的结论。 [1]

过去设计轴流泵时,叶轮出口大多采用沿叶轮半径方向等环量分布规律,但试验研究表明,速度环量沿半径方向分布并不是常数,其分布规律是,靠近叶轮轮毂处与轮缘处的实际速度环量比设计环量大,如图所示。究其原因,可以认为是与叶片尺寸有限制所引起的端部效应影响,在叶片的根部和外缘均因与轮毂体及叶轮室之间存在间隙,在这种间隙中引起液体的附加流动,使得轴面速度减小,速度环量增加,并且在叶片的背面产生旋涡运动。

采用等环量的设计,在轮毂处的液流角往往比较大,使得叶片的扭曲角也相应的增大,水力损失增加,尤其在高比转速轴流泵中由于扬程低,水力损失增大,在非设计工况下,泵效率下降明显。国内外专家通过试验发现了这一现象,因此从20世纪80年代开始探索采用变轴面速度、变环量流型进行轴流泵水力设计。赵锦屏、朱俊华提出采用如图所示的轴流泵叶轮出口轴面速度与环量分布规律。按此规律设计的14ZM-70型轴流泵模型的水力效率可达(80~82)-,优于等轴面速度、等环量分布流型,但未能达到同类型轴流泵模型水力效率87-左右的先进水平。这说明,他们所采用的泵轮出口轴面速度、环量的分布规律并不是最佳分布规律。

金仲华等人提出采用如图所示轴流泵轮出口轴面速度与环量分布规律。按此设计的MARIC 43E泵水力效率达到84.5-,汽蚀性能较好,泵的性能已达到同类型轴流泵的先进水平。这说明,其所采用的轴流泵叶轮出口轴面速度、环量分布规律已接近最佳分布规律。 [2]

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