层流流动控制技术及应用

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaMay252011V01．32No．5765-784JSSN1000—6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．crlhkxb@buaa．edu．crl文章编号：1000—6893(2011)05—0765—20层流流动控制技术及应用朱自强*，昊宗成，丁举春北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100191摘要：民机受到的摩阻占其总阻力很大比例，减少摩阻对改善民机性能和降低成本具有重要意义。层流摩阻远小于湍流摩阻，因此扩大层流区，甚至实现全层流流动是减阻的一个重要途径。为此，形成

2、了包括自然层流流动、全层流流动和混合层流流动3种层流流动控制技术。本文从减阻分析，对3种层流流动控制技术的概念、方法、优缺点、可带来的效益，层流流动控制技术的设计方法，层流流动飞机的维护(包括防昆虫和冰粒等污染的措施)等方面作了较为系统的阐述。概要介绍了国外1930--2000年间层流流动控制技术的研究简况，并选择X-21A飞机缝道吸气飞行试验、JetstarHLFC前缘系统模拟航线飞行的飞行试验、以及Boeing757HLFC飞行试验等重要项目为例阐述了层流流动控制技术的发展状况，指出了今后进一步研究的方向。关键词：层流流动控制；自然层流流动；全层流流动控制；混合层流流动控制；设计方法

3、；飞行试验中图分类号：V211．3文献标识码：A1904年普朗特提出具有划时代意义的边界层概念，随后又区分层流和湍流两种边界层的概念，并指出层流摩阻要小于湍流摩阻。从那时至今，人们一直致力于层流流动控制的研究。近百年来该项研究有了很大进展，也取得了丰硕的成果。然而自莱特兄弟第1架飞机问世以来，虽然人们也一直在追求层流飞机的设计，但到目前为止人们仍然还是在按湍流流动设计民机，始终没有一架层流飞机被投入航线服务于人类。由此可见层流流动控制技术的重要性和复杂性。本文将较为系统地讨论层流流动控制技术及其在未来民机中的应用。1未来民机设计有望应用层流控制技术凭借不断引进的新技术和新概念，空客197

4、0--2000年所研制型号的主要指标不断提高，如巡航因子提高45％，巡航时燃油消耗降低收稿日期：2011．03-01；退修日期：2011-03·16：录用日期：2011-03-22*通讯作者．Tel．：010-82314186E—mail：zhuzq@buaa．edu．crl15％，每座每英里燃油消耗降低37％，每座每英里直接运行成本降低15％口]。这些因素使空客从最初的市场占有额不到3％，直到2003年在新机交付量、存储订货额和新订单量等3项指标上全面超过了波音。由此可见，先进技术在民机设计中的重要作用。面对空客的严峻挑战，美国国家航空航天局(NASA)深感自己在相当一段时期内对航空领

5、域研究不够重视，在一些关键领域内形成了缺口，决定根据美国“新一代航空运输系统(NextGen)”计划的需求(预计美国在2025—2035年的空中交通运输量将比现在增加2～3倍)制定一个新的远景规划，使美国民机重新赢得全球领导地位。NASA的任务就是领导开展针对性的基础研究，在此发展计划中将亚声速固定翼民机的发展分为：近期N+1代，指原计划于2015年投入孳

6、用格武t来自强．吴宗成．T举春．层流流动控翻技术及应甩￡∞．靛空学报．2011．32(5)t765-784．ZhuZi讲ang，WuZongcheng．DOJuchun．Laminarflowcontroltechnologyanda

7、pplication[如．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2011，32(5)；765-784．航空学报使川的常规布局E机；一fI期N一2代．指有望在20202025年l珂投入使川的常规和非常规扣局的新构型飞机；远期N十3代．指预}f在!。302035{1：问投入使用的先进E机．要求噪声，排愕、耗油和对跑道妊度要求等性能上有大幅度的改善。具体评价标准示丁戒1。。表1三代飞机评价标准”TableIDesiredvalo*otaircrafl口erro—nc6L2一N十l(2015)N十2120202025)G⋯㈣Nomal№¨⋯IN十3(2030-2

8、0351configurallonconllguratloNGoner自Ijon^1737／CFM【6)777／GE90)FueI一”“s。“温。等兰掣NASA以台同方式选择和建直了多个研究剐队，分别研究对应各代飞机的新概念、方法和先进技术。在随后各参研J棚队提小的研究方案巾无论何种巾局形式都采用r层流控制技术．可见该技术对未米民机的研制且有重耍的作用。采米民机的i殳计有望应川接流控制技术。2减少摩阻是减少民机阻力的重要途径2．1摩