李乾，王延奎，賈玉紅

北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191

邊條翼布局是高機(jī)動(dòng)飛機(jī)常采用的氣動(dòng)布局之一，邊條能夠增加升力、延遲失速和改善大迎角的氣動(dòng)特性。但是大迎角飛行時(shí)，飛機(jī)會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的旋渦分離流動(dòng)及其誘導(dǎo)的非指令運(yùn)動(dòng)，其中較典型的非指令運(yùn)動(dòng)是機(jī)翼搖滾[1-3]。機(jī)翼搖滾降低了飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性能，縮小了飛行包線，影響飛行安全。為此，人們開展了大量關(guān)于機(jī)翼搖滾現(xiàn)象的研究。

機(jī)翼搖滾是一種大振幅自激振動(dòng)，在真實(shí)飛行中耦合了飛機(jī)的滾轉(zhuǎn)、偏航及下沉等，但其主要運(yùn)動(dòng)特征是繞體軸的滾轉(zhuǎn)振蕩[3]，目前絕大多數(shù)研究以單自由度搖滾運(yùn)動(dòng)為主。機(jī)翼搖滾形成的流動(dòng)成因與飛行器布局相關(guān)，Ericsson[4]根據(jù)布局形式總結(jié)了3類搖滾運(yùn)動(dòng)：細(xì)長(zhǎng)三角翼搖滾、常規(guī)機(jī)翼搖滾和翼身組合體搖滾。近些年，在非細(xì)長(zhǎng)三角翼[5-9]，雙三角翼[10]，飛翼布局[11]，真實(shí)飛機(jī)搖滾F-18[12]、X-31[13]等布局上也發(fā)現(xiàn)了機(jī)翼搖滾。

研究最多的布局是細(xì)長(zhǎng)三角翼。Nguyen等[14]最早通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究了80°后掠細(xì)長(zhǎng)三角翼的搖滾運(yùn)動(dòng)。Levin等[15]對(duì)比研究了76°和80°后掠細(xì)長(zhǎng)三角翼搖滾運(yùn)動(dòng)。Ericsson[16]認(rèn)為，前緣渦的非對(duì)稱升降激發(fā)了細(xì)長(zhǎng)三角翼的搖滾運(yùn)動(dòng)。Arena等[17]通過試驗(yàn)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)前緣渦的法向渦位遲滯是形成搖滾運(yùn)動(dòng)的主要成因。此外，Levin[15]和Ng[18]等試驗(yàn)了不同后掠角(70°～85°)的尖前緣三角翼搖滾，發(fā)現(xiàn)后掠角大于75°才會(huì)出現(xiàn)搖滾運(yùn)動(dòng)，且后掠角越大，搖滾起始迎角越小。但是，Gursul等[7]發(fā)現(xiàn)中等后掠三角翼(后掠角55°)也出現(xiàn)了機(jī)翼搖滾。可知，大后掠或中等后掠角的單獨(dú)機(jī)翼在大迎角會(huì)出現(xiàn)機(jī)翼搖滾運(yùn)動(dòng)。

相比單獨(dú)機(jī)翼，由機(jī)身和機(jī)翼構(gòu)成的組合體更接近真實(shí)飛機(jī)布局，研究更具有實(shí)際意義，研究相對(duì)較多。Brandon等[19-20]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，盡管組合體的機(jī)翼后掠角很小(26°)，組合體仍出現(xiàn)了搖滾運(yùn)動(dòng)，并且搖滾建立過程比細(xì)長(zhǎng)三角翼快，認(rèn)為前體流動(dòng)是組合體搖滾運(yùn)動(dòng)的主要因素。他們還研究機(jī)身前體截面形狀對(duì)搖滾運(yùn)動(dòng)的影響，發(fā)現(xiàn)除尖側(cè)緣前體外，其余前體均出現(xiàn)了明顯的搖滾運(yùn)動(dòng)。Ericsson[21]認(rèn)為組合體搖滾運(yùn)動(dòng)的主控流動(dòng)是機(jī)身前體非對(duì)稱渦，而機(jī)翼只提供了氣動(dòng)力作用面。國(guó)內(nèi)孫海生等[22]的試驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了這一結(jié)論。細(xì)長(zhǎng)旋成體機(jī)身非對(duì)稱渦在大迎角存在不確定性，即同樣幾何外形的兩個(gè)模型在同樣來流條件下，側(cè)向力結(jié)果不重復(fù)，背后的非對(duì)稱渦結(jié)構(gòu)不重復(fù)。鄧學(xué)鎣等[23-24]采用施加頭尖部擾動(dòng)消除了不確定性，頭尖部擾動(dòng)主控非對(duì)稱渦的渦型。借助頭尖部擾動(dòng)，王兵[25]和馬寶峰[26]等研究了由旋成體機(jī)身和小后掠機(jī)翼構(gòu)成的組合體的搖滾運(yùn)動(dòng)，他們發(fā)現(xiàn)搖滾運(yùn)動(dòng)形態(tài)在不添加頭尖部擾動(dòng)下同樣存在不確定性，而添加了頭尖部擾動(dòng)，運(yùn)動(dòng)形態(tài)具有確定性，得到了搖滾運(yùn)動(dòng)形態(tài)隨擾動(dòng)周向角的響應(yīng)關(guān)系，即隨擾動(dòng)周向角變化，搖滾運(yùn)動(dòng)分別表現(xiàn)為微振(可以認(rèn)為不搖滾)、單極限環(huán)搖滾和雙極限環(huán)搖滾，他們還發(fā)現(xiàn)頭尖部擾動(dòng)主控了前體非對(duì)稱渦的渦切換模式，進(jìn)而主控機(jī)翼搖滾運(yùn)動(dòng)形態(tài)。陶洋等[27-28]研究了高風(fēng)速下多種翼身組合體的搖滾運(yùn)動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)機(jī)翼后掠角對(duì)搖滾運(yùn)動(dòng)有較大影響，頭尖擾動(dòng)在較寬迎角和馬赫數(shù)范圍內(nèi)能夠控制前體渦誘導(dǎo)的搖滾運(yùn)動(dòng)。

另外，雷諾數(shù)也是影響旋成體機(jī)身組合體搖滾運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵參數(shù)。Quast等[12]在飛行試驗(yàn)和縮比模型水洞試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)F-18 HARV模型出現(xiàn)了機(jī)翼搖滾運(yùn)動(dòng)。然而Ericsson等[29]在風(fēng)洞試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)大尺寸F-18模型沒有搖滾運(yùn)動(dòng)，X-31飛行試驗(yàn)中也沒有發(fā)現(xiàn)搖滾，這些模型近似翼身組合體。Ericsson等[29]分析認(rèn)為這種差別來自于雷諾數(shù)，飛行試驗(yàn)和水洞試驗(yàn)分別在完全湍流和完全層流狀態(tài)下進(jìn)行，而風(fēng)洞試驗(yàn)則是轉(zhuǎn)捩流動(dòng)，轉(zhuǎn)捩流動(dòng)原本驅(qū)動(dòng)搖滾運(yùn)動(dòng)的流動(dòng)不再存在。馬寶峰[26]研究認(rèn)為這可能是模型搖滾運(yùn)動(dòng)不確定性的一種體現(xiàn)，即若模型頭部自然條件下加工公差或者瑕疵帶來的擾動(dòng)恰好處在模型出現(xiàn)微振的位置，那么微振運(yùn)動(dòng)可能被認(rèn)為是不搖滾。馬寶峰等[30]隨后研究了雷諾數(shù)對(duì)前體渦誘導(dǎo)搖滾運(yùn)動(dòng)的影響，發(fā)現(xiàn)頭尖部擾動(dòng)能夠主控層流區(qū)和湍流區(qū)的搖滾運(yùn)動(dòng)，但不影響轉(zhuǎn)捩區(qū)的搖滾運(yùn)動(dòng)。可知，翼身組合體的搖滾運(yùn)動(dòng)同時(shí)受頭尖部擾動(dòng)和雷諾數(shù)的影響。

目前，搖滾運(yùn)動(dòng)研究的翼身組合體多采用簡(jiǎn)單機(jī)身和機(jī)翼構(gòu)成，較復(fù)雜的翼身組合體和真實(shí)飛機(jī)的搖滾運(yùn)動(dòng)研究相對(duì)較少。劉偉和張涵信[31]給出了搖滾運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性判據(jù)。孫海生等[22]研究了一種戰(zhàn)斗機(jī)模型的搖滾運(yùn)動(dòng)。史志偉等[32-33]通過試驗(yàn)研究了鴨翼布局飛機(jī)搖滾運(yùn)動(dòng)，認(rèn)為多渦結(jié)構(gòu)隨俯仰角的演化可能是促發(fā)搖滾的主要渦系。李其暢等[34]對(duì)比研究了邊條翼和近距鴨翼兩類戰(zhàn)斗機(jī)的動(dòng)態(tài)氣動(dòng)特性，認(rèn)為邊條翼能夠減弱非對(duì)稱流動(dòng)，相比近距鴨翼，邊條翼布局沒有出現(xiàn)搖滾運(yùn)動(dòng)。趙忠良等[35]研究了多種布局模型的搖滾運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)邊條翼能夠抑制小迎角下?lián)u滾運(yùn)動(dòng)但是造成了側(cè)偏。邊條翼似乎能夠抑制搖滾運(yùn)動(dòng)，而根據(jù)Quast等[12]的研究，采用邊條翼布局的F-18模型出現(xiàn)了顯著的搖滾運(yùn)動(dòng)。Chung等[36]通過試驗(yàn)研究了帶邊條翼的戰(zhàn)斗機(jī)模型搖滾運(yùn)動(dòng)，認(rèn)為機(jī)身渦與邊條和機(jī)翼流動(dòng)的相互作用構(gòu)成了搖滾運(yùn)動(dòng)的成因，搖滾運(yùn)動(dòng)的觸發(fā)來自于偏航失穩(wěn)而不是滾轉(zhuǎn)失穩(wěn)。由此可以看出，帶邊條翼的翼身組合體產(chǎn)生搖滾運(yùn)動(dòng)的流動(dòng)成因尚不清楚。

誘發(fā)搖滾運(yùn)動(dòng)的流動(dòng)機(jī)理因布局不同而不同，目前沒有普適性的流動(dòng)機(jī)理。組合體中旋成體機(jī)身非對(duì)稱渦可以誘發(fā)搖滾，大后掠機(jī)翼前緣渦可以誘發(fā)搖滾，對(duì)于采用邊條翼(類似大后掠機(jī)翼)的組合體布局，搖滾運(yùn)動(dòng)的主控渦系是機(jī)身非對(duì)稱渦還是邊條渦？針對(duì)該些問題，本文設(shè)計(jì)了帶邊條翼的組合體飛機(jī)模型，完成了自由搖滾、天平測(cè)力和粒子圖像測(cè)速(Partiole Image Velocimetry,PIV)技術(shù)風(fēng)洞試驗(yàn)，得到了搖滾運(yùn)動(dòng)隨俯仰角的演化規(guī)律。為了找到主控渦系，添加了頭尖部擾動(dòng)，研究了搖滾運(yùn)動(dòng)隨擾動(dòng)周向角的變化規(guī)律。最后通過氣動(dòng)力/流場(chǎng)一體化測(cè)量技術(shù)，揭示了帶邊條翼的翼身組合體搖滾運(yùn)動(dòng)形成的流動(dòng)成因，為下一步發(fā)展相應(yīng)的搖滾抑制措施提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?、方法及?shù)據(jù)處理

圖1為試驗(yàn)?zāi)Ｐ?由旋成體機(jī)身、邊條翼和機(jī)翼構(gòu)成。機(jī)身總長(zhǎng)600 mm，分為尖拱形前機(jī)身和等直段后機(jī)身。前機(jī)身長(zhǎng)120 mm，母線為尖拱形曲線；后機(jī)身的直徑D=50 mm，作為特征長(zhǎng)度。邊條翼和機(jī)翼前緣后掠角分別為81°和42°，機(jī)翼翼展440 mm。機(jī)身測(cè)壓截面位于x/D=-2.4，用來監(jiān)測(cè)機(jī)身渦，8個(gè)測(cè)壓孔沿該截面周向均布，測(cè)壓孔無量綱坐標(biāo)如圖1所示，迎風(fēng)面駐點(diǎn)定義為0，背風(fēng)面駐點(diǎn)定義為-1(+1)。在頭尖部粘貼直徑0.2 mm球形顆粒作為頭尖部擾動(dòng)(Tip Perturbation，TP)，頭尖部擾動(dòng)安裝位置及周向角θp定義如圖1所示，θp=0°表示擾動(dòng)位于迎風(fēng)面駐點(diǎn)，擾動(dòng)周向角以后視順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正方向。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图邦^尖部擾動(dòng)定義

試驗(yàn)在北京航空航天大學(xué)D4低速風(fēng)洞完成，來流湍流度為0.08%。試驗(yàn)采用開口試驗(yàn)段，試驗(yàn)段截面尺寸為1.5 m×1.5 m，長(zhǎng)度為2.5 m。試驗(yàn)迎角區(qū)間5°～70°，風(fēng)速主要為50 m/s，基于機(jī)身等直段直徑的雷諾數(shù)ReD為0.44×105。為了更清晰拍攝流場(chǎng)，PIV試驗(yàn)風(fēng)速為35 m/s，對(duì)應(yīng)雷諾數(shù)ReD為0.31×105。選取的雷諾數(shù)均處在亞臨界區(qū)，大迎角下旋成體機(jī)身背風(fēng)面分離類型為層流分離。

試驗(yàn)方法包括測(cè)力、測(cè)壓、PIV、自由搖滾和復(fù)現(xiàn)搖滾試驗(yàn)。測(cè)力試驗(yàn)采用內(nèi)置式六分量天平。六分量天平的電壓信號(hào)經(jīng)過放大、濾波以及數(shù)模轉(zhuǎn)換等過程由采集程序控制和記錄。測(cè)力試驗(yàn)的采集頻率為2 500 Hz，采集點(diǎn)為10 000個(gè)，將采集后原始數(shù)據(jù)平均后再通過天平求解程序得到力和力矩。7次重復(fù)試驗(yàn)的滾轉(zhuǎn)力矩測(cè)量相對(duì)誤差2.84%。測(cè)壓試驗(yàn)采用DTC壓力測(cè)量系統(tǒng)，單個(gè)通道的量程1 PSI=6 895 Pa，測(cè)量精度為±6 Pa。測(cè)壓試驗(yàn)采集頻率100 Hz，采集點(diǎn)數(shù)600，平均后求出各測(cè)壓點(diǎn)的壓力系數(shù)。測(cè)壓試驗(yàn)相對(duì)誤差為0.25%。PIV試驗(yàn)采用Dantec公司的Digital PIV系統(tǒng)，布置如圖2所示。該系統(tǒng)由雙脈沖Nd:YAG激光器、跨幀相機(jī)、粒子發(fā)生器、同步盒和圖像處理卡組成。使用食用油顆粒作為示蹤粒子，拍攝截面垂直于模型體軸。每個(gè)拍攝截面采集80組圖像，每組包含2幅照片，2幅照片的時(shí)間差根據(jù)激光厚度與截面法向速度的比值確定。相機(jī)像素為2 048 pixels×2 048 pixels，互相關(guān)運(yùn)算詢問區(qū)為32 pixels×32 pixels，重疊25%，視場(chǎng)大小分別為250 mm×250 mm和450 mm×450 mm，空間分辨率分別為2.94 mm和5.29 mm。一組圖像經(jīng)過互相關(guān)計(jì)算后得到1個(gè)速度場(chǎng)數(shù)據(jù)點(diǎn)，將80個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)平均得到該截面的時(shí)均速度場(chǎng)。自由搖滾試驗(yàn)通過自由搖滾支桿得到固定俯仰角下模型的搖滾運(yùn)動(dòng)形態(tài)。

圖2 PIV試驗(yàn)布置示意圖

圖3為自由搖滾支桿示意圖，自由搖滾支桿由轉(zhuǎn)子、聯(lián)軸節(jié)、電磁閘、光電編碼器和外殼構(gòu)成。模型與自由搖滾支桿的轉(zhuǎn)子連接，模型的運(yùn)動(dòng)滾轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)通過編碼器記錄，12 bit編碼器的角度分辨率為0.088°。電磁閘根據(jù)實(shí)際需要采用手動(dòng)和程序內(nèi)部控制。自由搖滾試驗(yàn)流程為：將模型運(yùn)動(dòng)到待測(cè)俯仰角，風(fēng)速穩(wěn)定后，通過控制程序釋放電磁閘，編碼器記錄模型的滾轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)時(shí)間歷程曲線，得到該俯仰角下模型的搖滾運(yùn)動(dòng)形態(tài)。通過掛砝碼實(shí)測(cè)得到自由搖滾支桿的靜摩擦力為2.25×10-3N·m，相比于模型最大氣動(dòng)滾轉(zhuǎn)力矩2.11 N·m是個(gè)小量，自由搖滾支桿的機(jī)械阻尼影響可以忽略不計(jì)。復(fù)現(xiàn)搖滾試驗(yàn)?zāi)康氖墙柚鷱?qiáng)迫搖滾支桿得到運(yùn)動(dòng)中瞬時(shí)流場(chǎng)。

圖3 自由搖滾支桿

圖4為強(qiáng)迫搖滾支桿的示意圖。強(qiáng)迫搖滾支桿由轉(zhuǎn)子、減速器、伺服電機(jī)和外殼構(gòu)成。根據(jù)先前得到的搖滾運(yùn)動(dòng)曲線，利用精確復(fù)現(xiàn)搖滾運(yùn)動(dòng)技術(shù)[37]，調(diào)節(jié)參數(shù)控制伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)模型復(fù)現(xiàn)給定的自由搖滾運(yùn)動(dòng)曲線，到達(dá)設(shè)定滾轉(zhuǎn)角時(shí)發(fā)送外觸發(fā)信號(hào)給PIV系統(tǒng)，采集運(yùn)動(dòng)到該滾轉(zhuǎn)角的瞬時(shí)PIV數(shù)據(jù)，該方法稱為鎖相粒子圖像測(cè)速技術(shù)(Phase-Locked PIV)。具體流程為：選定待復(fù)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)曲線，確定拍攝的滾轉(zhuǎn)角及鎖定滾轉(zhuǎn)角，根據(jù)運(yùn)動(dòng)曲線求出該滾轉(zhuǎn)角處的角速度，從運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)送外觸發(fā)采集信號(hào)到PIV系統(tǒng)采集的響應(yīng)時(shí)間為20 ms，從而計(jì)算出運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)送外觸發(fā)采集信號(hào)需要的提前量，輸入運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。當(dāng)強(qiáng)迫搖滾到鎖定滾轉(zhuǎn)角減去提前量的滾轉(zhuǎn)角時(shí)，發(fā)送采集信號(hào)給PIV系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)記錄下每次信號(hào)發(fā)送時(shí)運(yùn)動(dòng)滾轉(zhuǎn)角加上提前量的值，作為檢查鎖定滾轉(zhuǎn)角是否正確，同時(shí)檢查每組PIV圖像中模型位置作為對(duì)照，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)記錄的滾轉(zhuǎn)角值與鎖定滾轉(zhuǎn)角值相差小于0.05°。因此，盡管強(qiáng)迫搖滾運(yùn)動(dòng)與自由搖滾之間存在不可避免的鎖相誤差，但是相位差在0.05°以內(nèi)，差別較小，可以認(rèn)為鎖相PIV技術(shù)能夠得到模型運(yùn)動(dòng)中某一滾轉(zhuǎn)角的瞬時(shí)流場(chǎng)。同相位PIV圖像采集50組圖像，將50組圖像互相關(guān)運(yùn)算后再平均得到瞬時(shí)流場(chǎng)。

圖4 強(qiáng)迫搖滾支桿

搖滾運(yùn)動(dòng)的平衡位置和振幅的提取忽略了0～5 s的運(yùn)動(dòng)建立過程，使用5～20 s的滾轉(zhuǎn)角時(shí)間歷程曲線來計(jì)算,平衡位置φeq取滾轉(zhuǎn)角的平均值。對(duì)非極限環(huán)搖滾，振幅φam為滾轉(zhuǎn)角的均方差；對(duì)于極限環(huán)運(yùn)動(dòng)，利用φam=(φmax-φmin)/2，其中φmax為最大滾轉(zhuǎn)角，φmin為最小滾轉(zhuǎn)角。求滾轉(zhuǎn)角速度和角加速度之前需進(jìn)行濾波處理，這是因?yàn)楦卟杉l率128 Hz加上有限的滾轉(zhuǎn)角分辨率0.088°，使得滾轉(zhuǎn)角出現(xiàn)連續(xù)相同值，等同于高頻噪聲，采用有限沖擊響應(yīng)的10 Hz低通數(shù)字濾波器進(jìn)行濾波。濾波后，利用4點(diǎn)中心差分方法求導(dǎo)得到搖滾運(yùn)動(dòng)角速度和角加速度，通過快速傅里葉變換得到了搖滾運(yùn)動(dòng)的頻域特性。

2 搖滾運(yùn)動(dòng)及頭尖部擾動(dòng)影響

2.1 未添加頭尖部擾動(dòng)時(shí)的搖滾運(yùn)動(dòng)

圖5～圖7分別給出了未添加頭尖部擾動(dòng)時(shí)典型俯仰角搖滾運(yùn)動(dòng)的時(shí)間歷程曲線、相圖和頻譜圖。俯仰角θ=5°時(shí)，模型停留在釋放電磁閘的滾轉(zhuǎn)角φ=0°，出現(xiàn)了極小幅振動(dòng)，相圖收斂于φ=0°，頻譜圖沒有主頻。此時(shí)迎角較小，模型大部分是附著流動(dòng)，極小幅振動(dòng)可能是流場(chǎng)脈動(dòng)導(dǎo)致的。θ=20°時(shí)，模型保持在φ=0°附近振動(dòng)，振動(dòng)幅值略微增加，相軌跡仍收斂在φ=0°附近，不存在主頻。θ=35°時(shí)，模型在φ=-1°附近振動(dòng)，幅值繼續(xù)增加，振動(dòng)存在“停歇”現(xiàn)象，即在較大振幅運(yùn)動(dòng)后停下出現(xiàn)微幅振蕩，運(yùn)動(dòng)是不規(guī)則的，其相圖軌跡不收斂于一點(diǎn)也不收斂于固定軌道，頻譜表現(xiàn)為寬頻，是不搖滾到搖滾的過渡形式。根據(jù)Ma等[25]的分析，盡管θ=35°的運(yùn)動(dòng)振幅比θ=5°的大，但運(yùn)動(dòng)類型仍是固定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)(Fixed-point)。θ=37.5°時(shí)，模型的振幅顯著增大，出現(xiàn)了明顯的搖滾運(yùn)動(dòng)，相圖軌跡能夠收斂到封閉軌道，運(yùn)動(dòng)主頻約2.3 Hz，此時(shí)搖滾運(yùn)動(dòng)類型為極限環(huán)運(yùn)動(dòng)(Limit-cycle Oscillation)。θ=40°時(shí)，極限環(huán)運(yùn)動(dòng)的振幅達(dá)到最大，主頻增大到約2.5 Hz。俯仰角繼續(xù)增加，θ=45°時(shí)運(yùn)動(dòng)振幅減小，主頻減小；θ=50°時(shí)極限環(huán)運(yùn)動(dòng)振幅最小，但主頻出現(xiàn)了增加，約為2.8 Hz。θ=60°，模型呈現(xiàn)不規(guī)則的微幅振動(dòng)，不存在主頻，為固定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)?？芍?，帶邊條翼的組合體布局在大俯仰角時(shí)會(huì)出現(xiàn)搖滾運(yùn)動(dòng)。

圖5 無頭尖部擾動(dòng)時(shí)搖滾運(yùn)動(dòng)的時(shí)間歷程曲線

圖6 無頭尖部擾動(dòng)時(shí)搖滾運(yùn)動(dòng)的相圖

圖7 無頭尖部擾動(dòng)時(shí)搖滾運(yùn)動(dòng)的頻譜分布

圖8給出了未添加頭尖部擾動(dòng)時(shí)搖滾運(yùn)動(dòng)隨俯仰角的分區(qū)特性。搖滾運(yùn)動(dòng)可分為3個(gè)區(qū)域：固定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)一區(qū)θ=5°～35°，極限環(huán)搖滾區(qū)θ=37.5°～50°，固定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)二區(qū)θ=55°～70°。在固定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)一區(qū)θ=5°～35°，運(yùn)動(dòng)平衡位置基本在滾轉(zhuǎn)角0°附近，振幅小于5°，可認(rèn)為不搖滾；在極限環(huán)搖滾區(qū)θ=37.5°～50°，當(dāng)θ=37.5°時(shí)運(yùn)動(dòng)振幅急劇增大，該俯仰角可作為極限環(huán)搖滾運(yùn)動(dòng)的起始俯仰角(文獻(xiàn)中多稱起始迎角)，該區(qū)滾轉(zhuǎn)角振幅均大于10°，出現(xiàn)了明顯的搖滾運(yùn)動(dòng)；在固定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)二區(qū)θ=55°～70°，滾轉(zhuǎn)角振幅又變?yōu)樾∮?°，可認(rèn)為不出現(xiàn)搖滾。從平衡位置看，不同分區(qū)的運(yùn)動(dòng)平衡位置差別不大，均位于φ=-1°～0°之間。根據(jù)穩(wěn)定性判據(jù)[30]，運(yùn)動(dòng)平衡位置是滾轉(zhuǎn)靜穩(wěn)定點(diǎn)，表明模型在φ=0°附近滾轉(zhuǎn)靜穩(wěn)定性隨俯仰角變化不大。

圖8 無頭尖部擾動(dòng)下?lián)u滾運(yùn)動(dòng)的俯仰角分區(qū)

在極限環(huán)搖滾區(qū)，θ=37.5°～45°的運(yùn)動(dòng)振幅較大，平衡位置在φ=0°；而θ=47.5°～50°的運(yùn)動(dòng)振幅相對(duì)較小，平衡位置在φ=-1°附近，盡管運(yùn)動(dòng)類型同為極限環(huán)運(yùn)動(dòng)，但是θ=40°和θ=50°的搖滾運(yùn)動(dòng)存在運(yùn)動(dòng)振幅和平衡位置的差別，可能來自不同的主控渦系。

2.2 頭尖部擾動(dòng)對(duì)搖滾運(yùn)動(dòng)的影響

根據(jù)Deng[23-24]、Wang[25]和Ma[26, 30]等關(guān)于旋成體機(jī)身非對(duì)稱渦和組合體搖滾運(yùn)動(dòng)的研究，頭尖部擾動(dòng)周向角主控大迎角下機(jī)身非對(duì)稱渦的渦型，進(jìn)而主控?fù)u滾運(yùn)動(dòng)類型。機(jī)身非對(duì)稱渦的切換模式?jīng)Q定了運(yùn)動(dòng)類型，即當(dāng)擾動(dòng)周向角θp=0°或180°，非對(duì)稱渦的切換模式提供了穩(wěn)定力矩，運(yùn)動(dòng)類型為極限環(huán)搖滾；θp=90°或270°，非對(duì)稱渦的切換模式提供了不穩(wěn)定力矩，運(yùn)動(dòng)類型為雙極限環(huán)搖滾(混沌運(yùn)動(dòng))，其他擾動(dòng)周向角時(shí)，非對(duì)稱渦不切換，運(yùn)動(dòng)類型為微振?？紤]到本研究中組合體搖滾運(yùn)動(dòng)類型如果由機(jī)身非對(duì)稱渦主控，那么搖滾運(yùn)動(dòng)類型也會(huì)受到頭尖部擾動(dòng)周向角的影響，因此，引入了頭尖部擾動(dòng)。

頭尖部擾動(dòng)周向角定義如圖1所示。圖9為零滾轉(zhuǎn)角不同擾動(dòng)周向角下θ=40°,50°的機(jī)身截面x/D=-2.4的空間流場(chǎng)，若無特殊說明，本文中流場(chǎng)均為后視。圖10為不同擾動(dòng)周向角的機(jī)身測(cè)壓截面x/D=-2.4的壓力分布。壓力系數(shù)Cp=(P-P∞)/(0.5ρV2)，P為測(cè)壓點(diǎn)處的靜壓，P∞為來流靜壓，ρ為空氣密度，V為來流風(fēng)速?？梢钥闯?，大迎角下旋成體機(jī)身出現(xiàn)一對(duì)非對(duì)稱機(jī)身渦，機(jī)身非對(duì)稱渦的渦型受頭尖部擾動(dòng)主控。對(duì)于θ=40°，當(dāng)θp=30°時(shí)，機(jī)身非對(duì)稱渦為左渦型，左側(cè)渦低右側(cè)渦高，壓力分布左側(cè)的吸力峰值比右側(cè)大；當(dāng)θp=330°時(shí)，機(jī)身非對(duì)稱渦為右渦型，右側(cè)渦低左側(cè)渦高，壓力分布右側(cè)的吸力峰值比左側(cè)大。對(duì)于θ=50°，機(jī)身非對(duì)稱渦隨擾動(dòng)周向角的響應(yīng)關(guān)系與θ=40°情況相同，但由于俯仰角的增加，機(jī)身非對(duì)稱渦發(fā)展更加充分，高渦上移明顯，高低渦的法向渦位差別更加明顯。在零滾轉(zhuǎn)角下，這種擾動(dòng)周向角對(duì)組合體機(jī)身非對(duì)稱渦渦型的主控關(guān)系與Deng等[24]研究結(jié)果吻合。

圖9 零滾轉(zhuǎn)角不同擾動(dòng)周向角下x/D=-2.4的時(shí)均流場(chǎng)

圖10 零滾轉(zhuǎn)角不同擾動(dòng)周向角下x/D=-2.4壓力分布

圖11給出了不同擾動(dòng)周向角下?lián)u滾運(yùn)動(dòng)的俯仰角分區(qū)特性。不同擾動(dòng)周向角下，運(yùn)動(dòng)振幅隨俯仰角的變化趨勢(shì)基本一致，θ=37.5°為搖滾運(yùn)動(dòng)起始俯仰角，θ=40°時(shí)運(yùn)動(dòng)振幅達(dá)到最大值。擾動(dòng)周向角對(duì)運(yùn)動(dòng)分區(qū)基本沒有影響。在極限環(huán)搖滾區(qū)θ=37.5°～50°，不同擾動(dòng)周向角的運(yùn)動(dòng)類型單一，沒有出現(xiàn)雙極限環(huán)或者微振運(yùn)動(dòng)，同一俯仰角的運(yùn)動(dòng)振幅存在較小差別。不同擾動(dòng)周向角下的運(yùn)動(dòng)平衡位置除θ=47.5°～55°外基本重合，在θ=47.5°～55°(包括極限環(huán)搖滾區(qū)θ=47.5°～50°和固定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)二區(qū)θ=50°～55°)，當(dāng)擾動(dòng)周向角θp=0°～90°和180°～270°時(shí)，平衡位置為負(fù)滾轉(zhuǎn)角；當(dāng)擾動(dòng)周向角θp=90°～180°和270°～360°時(shí)，平衡位置為正滾轉(zhuǎn)角。

圖11 不同擾動(dòng)周向角下?lián)u滾運(yùn)動(dòng)的俯仰角分區(qū)特性

圖12為θp=30°,330°滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)隨滾轉(zhuǎn)角的變化曲線，圖中包括了未添加頭尖部擾動(dòng)的狀態(tài)。滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)Cl=l/(0.5ρV2Sb)，l為測(cè)力天平測(cè)得的全機(jī)滾轉(zhuǎn)力矩，S為機(jī)翼面積，b為翼展。當(dāng)θ=40°時(shí)，不同擾動(dòng)周向角的滾轉(zhuǎn)力矩曲線基本重合，模型關(guān)于φ=0°是靜穩(wěn)定的，這與擾動(dòng)周向角基本不影響運(yùn)動(dòng)形態(tài)一致；當(dāng)θ=50°時(shí)，與無擾動(dòng)相比，在小滾轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)的滾轉(zhuǎn)力矩曲線隨擾動(dòng)周向角出現(xiàn)了平移現(xiàn)象。θp=30°曲線向下平移，使得滾轉(zhuǎn)力矩的零點(diǎn)偏向負(fù)滾轉(zhuǎn)角，而θp=330°，曲線向上平移，使得滾轉(zhuǎn)力矩的零點(diǎn)偏向正滾轉(zhuǎn)角，這與擾動(dòng)周向角對(duì)平衡位置的影響規(guī)律一致。

圖12 不同擾動(dòng)周向角下滾轉(zhuǎn)力矩隨滾轉(zhuǎn)角變化曲線

綜上，改變頭尖部擾動(dòng)周向角，機(jī)身非對(duì)稱渦結(jié)構(gòu)隨之改變，然而，對(duì)于θ=37.5°～45°，擾動(dòng)周向角對(duì)搖滾運(yùn)動(dòng)基本不產(chǎn)生影響，說明該俯仰角范圍內(nèi)機(jī)身非對(duì)稱渦對(duì)搖滾運(yùn)動(dòng)不具有主控作用；對(duì)于θ=47.5°～50°，改變擾動(dòng)周向角，運(yùn)動(dòng)類型不變，運(yùn)動(dòng)振幅基本不變，但是運(yùn)動(dòng)平衡位置發(fā)生變化，機(jī)身非對(duì)稱渦發(fā)揮了部分主控作用。

3 搖滾運(yùn)動(dòng)的流動(dòng)機(jī)理

在極限環(huán)搖滾區(qū)，選擇機(jī)身非對(duì)稱渦不主控區(qū)θ=40°和部分主控區(qū)θ=50°，擾動(dòng)周向角選擇θp=30°和330°，分析了搖滾運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的流動(dòng)機(jī)理。搖滾運(yùn)動(dòng)的形成離不開3種作用機(jī)制：觸發(fā)機(jī)制、偏離機(jī)制和維持機(jī)制。

3.1 搖滾運(yùn)動(dòng)的觸發(fā)機(jī)制

靜態(tài)測(cè)力和靜態(tài)流場(chǎng)可用來分析觸發(fā)機(jī)制。圖13為零滾轉(zhuǎn)角下θp=30°,330°時(shí)模型側(cè)向力系數(shù)CY和滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)Cl隨俯仰角的變化規(guī)律。側(cè)向力系數(shù)CY=Y/(0.5ρV2S)，Y為測(cè)力天平得到的全機(jī)側(cè)向力。為了對(duì)比，同時(shí)給出了沒有頭尖部擾動(dòng)的情況。當(dāng)θ=5°～30°時(shí)，不同擾動(dòng)周向角下側(cè)向力和滾轉(zhuǎn)力矩隨俯仰角基本不變，數(shù)值在0附近，此時(shí)模型背風(fēng)面為附著流或?qū)ΨQ流動(dòng)，不受頭尖部擾動(dòng)影響；當(dāng)θ=35°時(shí)，出現(xiàn)了負(fù)側(cè)向力和負(fù)滾轉(zhuǎn)力矩。當(dāng)θ=37.5°～60°時(shí)，側(cè)向力和滾轉(zhuǎn)力矩曲線隨擾動(dòng)周向角散開，無頭尖部擾動(dòng)的曲線基本處在兩個(gè)擾動(dòng)周向角的曲線之間，有擾動(dòng)時(shí)非零側(cè)向力和非零滾轉(zhuǎn)力矩隨俯仰角變化較復(fù)雜，曲線散開說明氣動(dòng)力開始受頭尖部擾動(dòng)影響，這是非對(duì)稱流動(dòng)的特性，由于模型側(cè)向力主要由機(jī)身提供，結(jié)合圖9中θ=40°的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，θp=30°機(jī)身非對(duì)稱渦為左渦系，側(cè)向力為負(fù)，θp=330°機(jī)身非對(duì)稱渦為右渦系，側(cè)向力為正。當(dāng)θ=60°時(shí)，滾轉(zhuǎn)力矩減小為0，但側(cè)向力不為0。當(dāng)θ=60°～70°時(shí)，滾轉(zhuǎn)力矩基本為0，側(cè)向力也逐漸減小為0，此時(shí)流動(dòng)非定常性較強(qiáng)。在極限環(huán)搖滾區(qū)θ=40°和50°，零滾轉(zhuǎn)角下的非零滾轉(zhuǎn)力矩驅(qū)使模型離開φ=0°，形成搖滾運(yùn)動(dòng)的觸發(fā)機(jī)制。

圖13 零滾轉(zhuǎn)角側(cè)向力和滾轉(zhuǎn)力矩隨俯仰角的變化曲線

那么這種觸發(fā)機(jī)制背后流動(dòng)是什么？圖14和圖15分別為零滾轉(zhuǎn)角θp=30°條件下θ=40°,50°的流場(chǎng)。

圖14 零滾轉(zhuǎn)角θp=30°時(shí)θ=40°的流場(chǎng)

圖15 零滾轉(zhuǎn)角θp=30°時(shí)θ=50°的流場(chǎng)

θ=40°時(shí)，在邊條截面x/D=-4.4，除了一對(duì)機(jī)身渦非對(duì)稱渦(Forebody Vortex，F(xiàn)BV)外，出現(xiàn)了一對(duì)非對(duì)稱邊條渦(Strake Vortex，SV)，機(jī)身渦為左渦型，邊條渦左渦渦量比右渦大；沿軸向發(fā)展到x/D=-5.4，由于邊條遮擋了機(jī)身渦的剪切層供給，機(jī)身渦逐漸減弱，同時(shí)左右渦的渦位差變大，而邊條渦左渦抬升比右渦明顯，并不斷增強(qiáng)；邊條結(jié)束截面x/D=-6.4，機(jī)身渦渦量較低，已經(jīng)基本破裂，邊條渦開始減弱；到達(dá)機(jī)翼截面x/D=-7.0和-8.6，邊條渦渦量降低出現(xiàn)破裂，其尾流在機(jī)翼內(nèi)側(cè)上形成明顯的流線卷繞，卷繞的渦量較低，沒有發(fā)現(xiàn)機(jī)翼前緣渦，邊條渦尾流形成的流線卷繞主控了機(jī)翼流動(dòng)。流線卷繞的非對(duì)稱并不明顯。因此，盡管θ=40°出現(xiàn)了機(jī)身渦誘導(dǎo)的負(fù)側(cè)向力，但是由卷繞結(jié)構(gòu)在機(jī)翼上誘導(dǎo)的滾轉(zhuǎn)力矩較小。

θ=50°時(shí)，在邊條截面x/D=-4.4，機(jī)身渦和邊條渦的非對(duì)稱性更明顯，機(jī)身渦同樣為左渦型，右側(cè)機(jī)身渦較高，左側(cè)機(jī)身渦較低，機(jī)身低渦與邊條渦發(fā)生了相互誘導(dǎo)，機(jī)身低渦向下移動(dòng)，邊條渦向上抬升，兩者發(fā)生了融合；到x/D=-5.4截面，機(jī)身高渦繼續(xù)抬升遠(yuǎn)離物面，對(duì)物面影響較小，左側(cè)形成了融合邊條渦(Merged Strake Vortex， MSV)，近物面流動(dòng)主要由左側(cè)融合邊條渦尾流和右側(cè)邊條低渦構(gòu)成，左側(cè)融合邊條渦遠(yuǎn)離物面；在邊條結(jié)束截面x/D=-6.4，左側(cè)融合邊條渦尾流的流線卷繞區(qū)域膨脹并抬升遠(yuǎn)離物面，而右側(cè)邊條渦尾流的流線卷繞位置靠近物面；到達(dá)機(jī)翼截面x/D=-7.0和-8.6，左右尾流的流線卷繞主控機(jī)翼流場(chǎng)，右側(cè)卷繞結(jié)構(gòu)更靠近機(jī)翼。因此，θ=50°出現(xiàn)了較大的負(fù)側(cè)向力和負(fù)滾轉(zhuǎn)力矩。

對(duì)比零滾轉(zhuǎn)角下θ=40°和θ=50°的空間流場(chǎng)，可以看出機(jī)翼流動(dòng)受到前方尾流的流線卷繞主控，區(qū)別在于前方流動(dòng)中機(jī)身非對(duì)稱渦的演化規(guī)律不同。θ=40°時(shí)，機(jī)身渦沿軸向發(fā)展過程中，機(jī)身渦逐漸減弱至破裂消失，沒有發(fā)生與邊條渦的融合，邊條渦尾流主控了機(jī)翼流動(dòng)。θ=50°時(shí)，機(jī)身渦在軸向發(fā)展過程中，機(jī)身低渦逐漸與同側(cè)的邊條高渦發(fā)生了融合，融合后的邊條渦尾流主控了機(jī)翼流動(dòng)。這可以解釋極限環(huán)搖滾區(qū)θ=40°和50°搖滾運(yùn)動(dòng)形態(tài)隨擾動(dòng)周向角響應(yīng)規(guī)律的差別。對(duì)于θ=40°，其搖滾運(yùn)動(dòng)主要受邊條渦主控，改變擾動(dòng)周向角基本不影響運(yùn)動(dòng)形態(tài)；而θ=50°時(shí)，搖滾運(yùn)動(dòng)受機(jī)身非對(duì)稱渦和邊條渦共同主控，改變擾動(dòng)周向角，改變了機(jī)身非對(duì)稱渦的渦型，影響了機(jī)身非對(duì)稱渦和邊條渦的融合。

圖16為零滾轉(zhuǎn)角θp=330°條件下θ=50°的空間流場(chǎng)，機(jī)身非對(duì)稱渦變?yōu)橛覝u系，右側(cè)低渦在x/D=-5.4截面與同側(cè)邊條渦發(fā)生融合，在邊條最后截面x/D=-6.4，融合邊條渦的流線卷繞膨脹抬升遠(yuǎn)離物面，而左側(cè)邊條低渦尾流的流線卷繞靠近物面，在零滾轉(zhuǎn)角時(shí)產(chǎn)生了正滾轉(zhuǎn)力矩。機(jī)身非對(duì)稱渦通過改變?chǔ)?50°時(shí)零滾轉(zhuǎn)角下的滾轉(zhuǎn)力矩，使?jié)L轉(zhuǎn)力矩曲線平移，影響了運(yùn)動(dòng)平衡位置。

圖16 零滾轉(zhuǎn)角θp=330°時(shí)θ=50°的流場(chǎng)

3.2 搖滾運(yùn)動(dòng)的偏離機(jī)制

當(dāng)模型稍微偏離零滾轉(zhuǎn)角時(shí)，會(huì)受到使其回到零滾轉(zhuǎn)角的靜穩(wěn)定力矩，如圖12所示。該滾轉(zhuǎn)力矩從何而來？圖17和圖18分別給出了θ=40°和50°不同滾轉(zhuǎn)角下的空間流場(chǎng)。

圖18 θp=30°不同滾轉(zhuǎn)角θ=50°的流場(chǎng)

當(dāng)θ=40°時(shí)，對(duì)于機(jī)身非對(duì)稱渦，零滾轉(zhuǎn)角下擾動(dòng)周向角θp=30°，而滾轉(zhuǎn)角φ=5°,-5°時(shí)，擾動(dòng)周向角θp將變?yōu)?5°和25°，仍在0°～90°范圍內(nèi)。根據(jù)Deng等[24]研究，頭尖部擾動(dòng)主控細(xì)長(zhǎng)體非對(duì)稱渦的渦型，在θp=0°～90°時(shí)非對(duì)稱渦為左渦系。如圖17所示，φ=5°(對(duì)應(yīng)θp=35°)機(jī)身非對(duì)稱渦為左渦系，φ=-5°(對(duì)應(yīng)θp=20°)機(jī)身非對(duì)稱渦位置基本對(duì)稱，不再是左渦系，可知對(duì)于非零滾轉(zhuǎn)角，擾動(dòng)對(duì)機(jī)身非對(duì)稱渦的主控作用減弱，這從側(cè)面印證了θ=40°的搖滾運(yùn)動(dòng)不受擾動(dòng)周向角的影響。對(duì)于邊條渦，在邊條截面x/D=-5.4，θ=5°時(shí)左側(cè)(向上側(cè))邊條渦集中靠近邊條，而右側(cè)(向下側(cè))邊條渦渦量區(qū)被拉長(zhǎng)遠(yuǎn)離邊條。當(dāng)滾轉(zhuǎn)角φ=-5°時(shí)，根據(jù)盡管機(jī)身非對(duì)稱渦與φ=5°情況差別明顯，但是左右側(cè)的邊條渦變化規(guī)律與φ=5°時(shí)情況一致，即向上側(cè)邊條渦集中靠近邊條，向下側(cè)邊條渦渦量區(qū)拉長(zhǎng)遠(yuǎn)離邊條。這種邊條渦隨滾轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律與Arena和Nelson[17]研究的大后掠三角翼前緣渦不同，當(dāng)有滾轉(zhuǎn)角時(shí)，向上側(cè)的三角翼前緣渦遠(yuǎn)離物面，而向下側(cè)的前緣渦靠近物面，向下側(cè)機(jī)翼由于前緣渦靠近物面產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)力矩大于向上運(yùn)動(dòng)側(cè)，形成了三角翼的靜穩(wěn)定力矩。若只考慮邊條渦在邊條上誘導(dǎo)產(chǎn)生的滾轉(zhuǎn)力矩，相比于向下側(cè)，向上側(cè)邊條渦更靠近邊條誘導(dǎo)了更大的滾轉(zhuǎn)力矩促使模型繼續(xù)偏離，邊條貢獻(xiàn)了不穩(wěn)定力矩。但是，從全機(jī)在零滾轉(zhuǎn)角為靜穩(wěn)定來看，其他部件如機(jī)翼應(yīng)提供大部分的靜穩(wěn)定力矩。在機(jī)翼截面x/D=-8.6，φ=-5°和φ=5°的表現(xiàn)規(guī)律一致，向上側(cè)原本靠近邊條的邊條渦尾流的流線卷繞遠(yuǎn)離機(jī)翼，對(duì)機(jī)翼產(chǎn)生的吸力小，靠近對(duì)稱面力臂短，產(chǎn)生不穩(wěn)定滾轉(zhuǎn)力矩??；向下側(cè)原本遠(yuǎn)離邊條的邊條渦尾流流線卷繞靠近機(jī)翼，對(duì)機(jī)翼產(chǎn)生的吸力大，遠(yuǎn)離對(duì)稱面力臂長(zhǎng)，產(chǎn)生穩(wěn)定滾轉(zhuǎn)力矩大。除背風(fēng)面的穩(wěn)定力矩外，迎風(fēng)面流動(dòng)也提供了穩(wěn)定力矩，總體上模型在θ=40°關(guān)于零滾轉(zhuǎn)角表現(xiàn)為滾轉(zhuǎn)靜穩(wěn)定性。

圖17 θp=30°不同滾轉(zhuǎn)角下θ=40°的流場(chǎng)

對(duì)于θ=50°，擾動(dòng)周向角為θp=30°，運(yùn)動(dòng)平衡位置在φ=-1.5°左右。圖15給出了φ=0°的流場(chǎng)，φ=0°時(shí)負(fù)滾轉(zhuǎn)力矩的流動(dòng)成因是右側(cè)流線卷繞比左側(cè)更靠近機(jī)翼，流線卷繞來自于邊條渦尾流，因此，圖18中截面流場(chǎng)只展示到邊條最后截面x/D=-6.4。當(dāng)φ=-2°時(shí)，流動(dòng)沿軸向的發(fā)展與φ=0°類似，相比φ=0°，x/D=-6.4截面右側(cè)的流線卷繞結(jié)構(gòu)略抬升，其提供的負(fù)滾轉(zhuǎn)力矩減小，全機(jī)滾轉(zhuǎn)力矩接近0。當(dāng)φ=-6°時(shí)，x/D=-2.4和-4.4截面機(jī)身非對(duì)稱渦的高渦位置向下移動(dòng)，受其誘導(dǎo)，右側(cè)邊條渦相比與φ=-2°情況略抬升，發(fā)展到x/D=-6.4截面時(shí)，右側(cè)流線卷繞抬升明顯，而左側(cè)流線卷繞卻更靠近物面，背風(fēng)面流動(dòng)提供了正滾轉(zhuǎn)力矩，而迎風(fēng)面流動(dòng)也提供正滾轉(zhuǎn)力矩，φ=-6°全機(jī)滾轉(zhuǎn)力矩為正，總體上模型在θ=50°時(shí)關(guān)于φ=-1.5°這一平衡位置表現(xiàn)為滾轉(zhuǎn)靜穩(wěn)定性。

3.3 搖滾運(yùn)動(dòng)的維持機(jī)制

動(dòng)態(tài)氣動(dòng)力和瞬時(shí)流場(chǎng)可用來分析搖滾運(yùn)動(dòng)的維持機(jī)制。以θ=40°為主來討論搖滾維持機(jī)制。根據(jù)穩(wěn)定性判據(jù)[34]，極限環(huán)搖滾運(yùn)動(dòng)需要滿足靜穩(wěn)定和動(dòng)不穩(wěn)定，維持機(jī)制就是要找到引起動(dòng)不穩(wěn)定的流動(dòng)。

圖19給出了θ=40°、θp=30°時(shí)運(yùn)動(dòng)中角加速度隨滾轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。忽略支桿摩擦力，滾轉(zhuǎn)角加速度能夠反映動(dòng)態(tài)滾轉(zhuǎn)力矩的特性。多次角加速度曲線疊加后呈現(xiàn)S型帶狀，這種角加速度曲線顯然不同于三角翼極限環(huán)搖滾運(yùn)動(dòng)的雙“8”字環(huán)[17]。組合體模型總體上沒有出現(xiàn)遲滯環(huán)，表明每次周期運(yùn)動(dòng)的角加速度規(guī)律重復(fù)性較差，S型帶狀是重疊后的總體表現(xiàn)，說明模型每次周期運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)態(tài)氣動(dòng)力變化規(guī)律復(fù)雜。

圖19 θ=40°、θp=30°的角加速度隨滾轉(zhuǎn)角變化規(guī)律

圖20選擇θ=40°時(shí)4種典型單次運(yùn)動(dòng)、相圖和角加速度隨滾轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。單次運(yùn)動(dòng)以φ=0°負(fù)向運(yùn)動(dòng)作為起始，經(jīng)過一個(gè)周期運(yùn)動(dòng)回到φ=0°為結(jié)束。當(dāng)相圖上運(yùn)動(dòng)起始角速度與結(jié)束角速度相等，表示模型與外界能量交換相等，記為平衡態(tài)(Balance)；當(dāng)相圖上起始角速度大于結(jié)束角速度，表示模型向外界釋放能量，記為釋放態(tài)(Releasing)；當(dāng)相圖上起始角速度小于結(jié)束角速度，表示模型從外界能量吸收能量，記為吸收態(tài)(Absorbing)。可以看出，4種單次運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)氣動(dòng)力遲滯特性不同。對(duì)于平衡態(tài)，出現(xiàn)了兩種不同的角加速度遲滯曲線：一種氣動(dòng)力遲滯不明顯(Balance-1)，模型運(yùn)動(dòng)中不管正向還是負(fù)向運(yùn)動(dòng)，通過同一位置的角加速度變化不大；另一種氣動(dòng)力遲滯明顯(Balance-2)，模型正向和負(fù)向運(yùn)動(dòng)中，角加速度形成了明顯的遲滯環(huán)，中間為順時(shí)針環(huán)吸收能量，兩側(cè)為逆時(shí)針環(huán)釋放能量，吸收和釋放能量基本相等，這一特征與大后掠三角翼類似。對(duì)于吸收態(tài)和釋放態(tài)，遲滯環(huán)旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生了變化，中間遲滯環(huán)為逆時(shí)針釋放能量，兩側(cè)遲滯環(huán)為順時(shí)針吸收能量，區(qū)別在于兩側(cè)順時(shí)針環(huán)面積大于逆時(shí)針環(huán)時(shí)，從外界吸收能量；兩側(cè)順時(shí)針環(huán)面積小于逆時(shí)針環(huán)時(shí)，向外界釋放能量。

圖20 θ=40°典型單次運(yùn)動(dòng)、相圖和角加速度隨滾轉(zhuǎn)角變化曲線

選擇遲滯特性明顯的平衡態(tài)(Balance-2)作為強(qiáng)迫復(fù)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)曲線，通過鎖相PIV技術(shù)得到模型運(yùn)動(dòng)中靜穩(wěn)定點(diǎn)φ=0°的瞬時(shí)流場(chǎng)。圖21為θ=40°時(shí)搖滾經(jīng)過φ=0°的瞬時(shí)流場(chǎng)，其中Positive表示正向經(jīng)過φ=0°(后視為順時(shí)針)，Negative表示負(fù)向經(jīng)過φ=0°(后視為逆時(shí)針)。與圖14 中靜態(tài)流場(chǎng)相比，運(yùn)動(dòng)中經(jīng)過φ=0°時(shí)出現(xiàn)了明顯的流動(dòng)遲滯，當(dāng)正向過零時(shí)，機(jī)翼左側(cè)流線卷繞結(jié)構(gòu)更靠近機(jī)翼；負(fù)向過零時(shí)，機(jī)翼右側(cè)流線卷繞結(jié)構(gòu)更靠近機(jī)翼，相比與靜態(tài)情況，該截面背風(fēng)面流動(dòng)在φ=0°動(dòng)態(tài)過程中提供了動(dòng)不穩(wěn)定力矩，這種流動(dòng)遲滯促使模型在φ=0°表現(xiàn)為動(dòng)不穩(wěn)定。

圖21 θ=40°時(shí)搖滾運(yùn)動(dòng)中φ=0°瞬態(tài)流場(chǎng)

圖22為θ=40°時(shí)搖滾運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)經(jīng)過不同滾轉(zhuǎn)角的瞬時(shí)流場(chǎng)。正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，從φ=-20°～0°，左側(cè)機(jī)翼流線卷繞更靠近機(jī)翼，提供不穩(wěn)定力矩，促進(jìn)運(yùn)動(dòng)；從φ=0°～20°，左側(cè)流線卷繞結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離機(jī)翼，而右側(cè)卷繞結(jié)構(gòu)靠近機(jī)翼，阻礙正向運(yùn)動(dòng)。負(fù)向運(yùn)動(dòng)時(shí)，與正向運(yùn)動(dòng)類似，右側(cè)卷繞結(jié)構(gòu)從靠近機(jī)翼促進(jìn)運(yùn)動(dòng)到遠(yuǎn)離機(jī)翼，這樣周而復(fù)始形成了搖滾運(yùn)動(dòng)。

圖22 θ=40°時(shí)搖滾運(yùn)動(dòng)中的瞬態(tài)流場(chǎng)

θ=50°時(shí)，機(jī)身非對(duì)稱渦和邊條渦共同主控?fù)u滾運(yùn)動(dòng)，機(jī)身非對(duì)稱渦和邊條渦出現(xiàn)了融合，運(yùn)動(dòng)起來主控流動(dòng)的演化規(guī)律更復(fù)雜。與θ=40°類似，融合邊條渦尾流在機(jī)翼上的流線卷繞存在動(dòng)態(tài)遲滯，如圖23所示，當(dāng)正向過φ=-2°時(shí)，融合邊條渦尾流的左側(cè)流線卷繞比靜態(tài)情況下位置更低；負(fù)向過φ=-2°時(shí)，機(jī)翼右側(cè)流線卷繞結(jié)構(gòu)更靠近機(jī)翼，驅(qū)使模型繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。融合邊條渦尾流的動(dòng)態(tài)遲滯形成了搖滾運(yùn)動(dòng)的動(dòng)不穩(wěn)定。對(duì)比圖14 和圖15可知，與θ=40°不同，θ=50°的機(jī)翼截面渦量較小，流動(dòng)破裂更加明顯，因此融合邊條渦較弱，最終導(dǎo)致?lián)u滾運(yùn)動(dòng)的振幅較小。

圖23 θ=50°時(shí)搖滾運(yùn)動(dòng)中φ=-2°瞬態(tài)流場(chǎng)

4 結(jié) 論

針對(duì)帶邊條翼的翼身組合體，通過自由搖滾、測(cè)力測(cè)壓和PIV等風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了模型搖滾運(yùn)動(dòng)隨俯仰角的分區(qū)特性；得到了極限環(huán)搖滾區(qū)的主控流動(dòng)；討論了搖滾運(yùn)動(dòng)形成的3種流動(dòng)機(jī)制：觸發(fā)機(jī)制，偏離機(jī)制和維持機(jī)制。主要結(jié)論如下：

1) 帶邊條翼的翼身組合體在大迎角下會(huì)出現(xiàn)機(jī)翼搖滾運(yùn)動(dòng)。搖滾運(yùn)動(dòng)隨俯仰角可以分為3個(gè)區(qū)域：固定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)一區(qū)θ=5°～35°，極限環(huán)搖滾區(qū)θ=37.5°～50°，固定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)二區(qū)θ=55°～70°。

2) 極限環(huán)搖滾區(qū)又可分為機(jī)身非對(duì)稱渦不主控區(qū)(θ=37.5°～45°)和部分主控區(qū)(θ=47.5°～50°)，頭尖部擾動(dòng)周向角可以改變機(jī)身非對(duì)稱渦的渦型。θ=40°時(shí)，頭尖部擾動(dòng)周向角不改變搖滾運(yùn)動(dòng)，說明機(jī)身非對(duì)稱渦不是搖滾運(yùn)動(dòng)的主控流動(dòng)；而θ=50°時(shí)，頭尖部擾動(dòng)周向角改變了搖滾運(yùn)動(dòng)的平衡位置，機(jī)身非對(duì)稱渦部分主控了搖滾運(yùn)動(dòng)。

3) 在極限環(huán)搖滾區(qū)，零滾轉(zhuǎn)角下的非零滾轉(zhuǎn)力矩構(gòu)成了搖滾運(yùn)動(dòng)的觸發(fā)機(jī)制，非零滾轉(zhuǎn)力矩主要由機(jī)翼上的邊條渦或者融合邊條渦的尾流誘導(dǎo)而產(chǎn)生的。θ=40°時(shí)，機(jī)身非對(duì)稱渦沿體軸發(fā)展中逐漸破裂消失，機(jī)翼流動(dòng)主要由邊條渦尾流主控，搖滾運(yùn)動(dòng)的主控流動(dòng)是邊條渦。θ=50°時(shí)，機(jī)身非對(duì)稱渦沿體軸發(fā)展中，機(jī)身低渦與同側(cè)的邊條渦融合而形成融合邊條渦，機(jī)翼截面的流動(dòng)主要由融合邊條渦尾流主控，搖滾運(yùn)動(dòng)的主控流動(dòng)是機(jī)身非對(duì)稱渦和邊條渦。

4) 邊條渦或融合邊條渦尾流隨滾轉(zhuǎn)角的演化規(guī)律構(gòu)成搖滾運(yùn)動(dòng)的偏離機(jī)制。θ=40°時(shí)，非零滾轉(zhuǎn)角下，到達(dá)機(jī)翼時(shí)，向上側(cè)原本靠近邊條的邊條渦尾流的流線卷繞遠(yuǎn)離機(jī)翼，向下側(cè)原本遠(yuǎn)離邊條的邊條渦尾流的流線卷繞靠近機(jī)翼，邊條渦尾流在機(jī)翼上誘導(dǎo)產(chǎn)生了靜穩(wěn)定力矩；θ=50°時(shí)，融合邊條渦尾流在機(jī)翼上隨滾轉(zhuǎn)角的演化產(chǎn)生了靜穩(wěn)定力矩。

5)θ=40°時(shí)，當(dāng)正向過零滾轉(zhuǎn)角時(shí)，邊條渦尾流在左側(cè)機(jī)翼的流線卷繞更靠近機(jī)翼；負(fù)向過零滾轉(zhuǎn)角時(shí)，邊條渦尾流在右側(cè)機(jī)翼的流線卷繞更靠近機(jī)翼，邊條渦尾流在搖滾運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)態(tài)遲滯提供了動(dòng)不穩(wěn)定力矩。θ=50°時(shí)，融合邊條渦尾流在搖滾運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)態(tài)遲滯提供了動(dòng)不穩(wěn)定力矩。