微型后缘装置(Mini-Trailing Edge Devices，Mini-TED)是一种后缘流动控制方法，其几何形态和安装参数的变化能够有效地改变翼型表面的压力分布，增大翼型的升力和升阻比。由于其几何尺寸较小，安装使用简易，增升效果明显，因而受到较多的关注。文献^[1]将Mini-TED看作是一类具有不同几何形态的后缘控制元件的统称，可以包括发散式后缘、分裂式襟翼、Gurney襟翼、楔形后缘等。该类装置相对尺度远小于传统后缘流动控制装置，尺寸通常限制在1%～5%弦长以下。

K.Richter和H.Roseman^{[1, 2]}对Mini-TED在跨声速流动中的气动特性进行了综合研究，从实验和数值模拟两方面，对Gurney襟翼、开裂式襟翼、发散式襟翼3种形态和不同尺寸的Mini-TED对翼型表面压力分布、流动结构的影响进行了对比分析。研究认为，Mini-TED对翼型产生增升作用的主要原因在于翼型后缘有效弯度的增加和翼型后段上下翼面压力差增加两个方面。该文献还比较了上述3种Mini-TED的长度、安装角度对翼型气动特性的影响和增升效果的差异。

Liebeck^[3] 是以增强赛车在高速运动时对地面的吸附力为目的，首先提出Gurney襟翼的概念，并对安装了高度h为1% 弦长量级Gurney襟翼的Newman翼型进行了风洞实验，结果显示其升力比净机翼有明显增加，最大升力系数提高，且相同升力系数下，阻力有所减小；而当Gurney襟翼高度超过2%弦长后，升力虽然增加，但阻力也随之增长。由于Newman翼型是用于验证边界层理论的规范翼型，因此该实验结果具有较高的可靠性和普遍性。为说明襟翼为何在特定高度范围内可以起到增升减阻作用，Licbeck采用丝线法观察了襟翼周围的流态，发现了较低襟翼后方的对涡结构造成的速度亏损区范围小于净机翼流动分离形成的速度亏损区，因而动量损失较小，而较高的襟翼对应的动量损失大，由此带来更大的阻力增量。

文献^{[1, 2, 3]}中的结果主要依赖于对气动力测量结果的分析，由于缺乏关于流动结构的实验资料，对气动特性变化机理的讨论多以引用和推断的方式进行描述。

王晋军等对Gurney襟翼进行了综述性的回顾^[4]，并详细研究了Gurney襟翼安装参数对低雷诺数下翼型的气动影响，其中关于缩进式和安装角小于90°的Gurney襟 翼增升机理的分析依赖于对PIV流动结构分析^[5]，发现Gurney襟翼后交替的涡脱落推迟了尾流区的压力恢复，抑制了上翼面后缘附近的流动分离，压力降低，上下翼面的压差增加，升力得到提升。

Zhou通过数值模拟研究了跨声速流动分裂式Mini-TED的增升效果^[12]，认为Mini-TED后产生的三涡结构不够稳定，在脱落时会引起机翼的振颤。因此提出了改进方案，即后移式Mini-TED (Rearward Mini-TED)概念^[13]，将传统分裂式Mini-TED向后缘移动，使得襟翼一部分伸出后缘，而后对安装该改进型襟翼的NACA0012翼型在亚跨音速时的气动特性和流场结构进行了数值模拟，计算结果显示机翼后缘下游产生稳定的双涡结构，从而具有更加稳定的气动特性。而在结构方面，后移式Mini-TED并不比分裂式Mini-TED复杂很多，故而应具有很好的发展应用潜力。

实际上，后移式Mini-TED可以看做是具有小安装角的缩进式Gurney襟翼，目前对这类襟翼研究仅限于少量数值模拟结果，尚无实验研究的报道，且主要以对称翼型在大雷诺数和亚跨音速条件下的计算为主。因此本实验针对加装后移式Mini-TED的NACA23012翼型进行低雷诺数下流场的PIV测量，并与NACA23012原型的实验结果相对比，探讨后移式 Mini-TED低速条件下翼型流动结构的演化规律及其对气动特性可能产生的影响。 1 实验装置和条件

实验在回流式风洞的闭口段中进行，实验段尺寸400mm×400mm×1700mm，湍流度0.1%。实验布局如图 1所示，翼型模型竖直安装在迎角调节机构的电动转盘上，实验迎角由计算机控制进行自动调节。原型翼型为铝制NACA23012，表面光滑，弦长c=130mm，后移式Mini-TED使用薄铝片制作，厚度0.2mm，长度5%c，安装位置为下翼面距后缘点1.5%c处，安装角与弦线成30°(从后缘沿顺时针旋转)，如图 2所示。实验来流速度U_∞=15m/s，以翼型弦长为特征尺度的雷诺数Re=1.3×10⁵。

图 1 翼型安装示意图 Fig. 1 Schematic diagram of the experimental setup

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图 2 后移式 Mini-TED安装示意 Fig. 2 Rearward Mini-TED installation diagram

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PIV实验对翼型周围流场的3个区域分别进行测量，如图 3中所示，测量区1、2为上、下翼面流场，拍摄面积各为140mm×86mm；测量区3为后缘附近流场，拍摄面积25mm×18mm，片光源从上、下翼面方向照明流场。测量截面与自由来流方向平行，并位于展长中段，以保证足够好的二维流动特性。用于PIV测量的CCD相机分辨率为1600×1200，双腔 Nd:YAG激光器，重复频率为15Hz，双曝光模式，相机与激光器的同步由信号发生器控制。光源布置于风洞实验段侧面，CCD相机置于风洞顶部进行拍摄。实验工况为NACA23012原型翼型和加装后移式Mini-TED翼型两种模型，以对比两者流动结构的差异，迎角分别为0°、5°、10°、15°。每种工况下均连续采集500组粒 子图像后经统计运算得到时均流场信息。

图 3 PIV测量区域俯视示意图 Fig. 3 Schematic diagram of the PIV experimental setup

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图 4为后移式Mini-TED翼型与原型翼型后缘流场的时均流线图，背景为涡量分布。各迎角时，后移式Mini-TED翼型后缘均生成旋转方向相反的对涡结构，其中上方涡旋尺度较下方涡旋尺度大，两涡之间存在小范围的逆流区；来自上下翼面的主流在后缘下游稍远处平滑汇合，满足库塔条件，相当于有效气动弦长增加。随着迎角的增加，两涡旋的尺度无明显改变，但强度改变较大(见图 6)。由于涡旋形成低压区，并与Mini-TED下方的正压区产生压强差，给翼型后缘带来额外的局部升力增量(从后文下翼面速度分布可看出)，使翼型受到低头力矩的作用，同时将增加翼型的压差阻力。另外，对涡生成将引起尾流的能量耗散，也是翼型阻力增加的原因。后移式Mini-TED翼型尾流中的涡量明显高于原型翼型，所形成的后缘附近低压区，可降低上翼面的逆压梯度，有利于在大迎角条件下延迟流动分离。因此在10°及以上迎角时，后移式Mini-TED翼型翼面分离相对于原型翼型均受到明显抑制。另外，后缘附近的逆压梯度的降低，使得上翼面流动保持较高的速度，从而加大了边界层内的速度剪切，使后移式Mini-TED翼型的摩擦阻力也将随之增加。

图 4 两种翼型后缘附近流线图及涡量云图 Fig. 4 Streamlines of wake flow and vorticity contours near the trailing edge

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图 5为后缘下游3%弦长处，两种翼型竖直方向的无量纲水平速度剖面(u/U_∞)。相比原型翼型，Mini-TED翼型的速度亏损区下移，即后移式Mini-TED翼型尾流下洗角大于原型翼型，该下洗角的增量是由于机翼等效弯度增加造成的结果。由薄翼理论可知，弯度对升力的贡献直接体现在减小了翼型的零升迎角(负值)，使得等效迎角增加。原型翼速度亏损区内，流速范围为0.0<u/U_∞<1.0，表明原型尾流中没有形成涡旋结构，动能耗散较小，且速度亏损值随着迎角的增加而不断减小；而后移式Mini-TED翼型速度亏损区宽度远大于原型翼型，由于对涡结构的存在，两涡之间产生了u/U_∞<0.0的逆流，由此造成的动量损失更多，但各迎角速度亏损值无明显变化，因此可以认为随着迎角的增加，后移式Mini-TED翼型和原型翼型尾流最小速度差增大，从而产生更多的动量损失，阻力也随之增加。

图 5 两种翼型尾流速度分布曲线 Fig. 5 Variation of velocity deficit in the wake flow of two different airfoils

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图 6是从后移式Mini-TED翼型后缘双涡涡核处提取的涡量值。可以看出，迎角的改变对上方涡旋的涡量影响小，随着迎角的增加，其涡量下降较为缓慢；而下方涡旋虽然尺度无明显变化，但涡量增长较为显著，即随着迎角增加，下翼面流动绕过Mini-TED尖端的剪切流动不断增强，由此形成的下方涡旋具有较高的强度，因此后移式Mini-TED翼型动量损失的增量主要来自该涡旋的贡献。

图 6 后缘后涡对涡量随迎角变化曲线 Fig. 6 Change of the vorticity of the pair of vortecies behind the trailing-edge with various angles of attack(AOA)

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图 7所示为上翼面时均流场的无量纲化速度等值线及流线图。在0°迎角时，两种翼型上翼面最大流速u_max值基本相当，但流速分布有所区别，原型翼型在翼面前段的流速大于自由来流速度(u>U)，而在40%c以后的翼面流速的明显下降，因此，逆压造成的切向速度梯度较大；而Mini-TED翼型大部分翼面流速分布均超过自由来流速度(u>U)，仅在后缘附近观察到流动分离，说明后缘静压降低使逆压梯度减小，翼面流动能保持较高的速度。由流速分布状况看出Mini-TED翼型可推迟流动分离的发生，使低压区覆盖翼面更大的范围，有利于提高翼型的升力。

图 7 原型翼型与Mini-TED翼型上翼面速度分布云图 Fig. 7 Velocity distribution contours over the upper-surface of airfoils

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当迎角增大到10°时，如图 7(b)所示，原型翼后缘附近由于逆压梯度增加，流速下降较为剧烈，流动分离点已经向前缘移动到20%弦长处，80%的翼面为低速流动所覆盖。而后移式Mini-TED翼型翼面附近保持高流速，边界层很薄，翼面没有形成明显的脱体运动，表明后缘附近仍保持较低的逆压梯度，难以对上游高速度的来流形成阻滞和产生逆流，抑制了翼面过早分离。

迎角15°时，逆压梯度增大，两种翼型均在前缘附近形成流动分离。原型翼型的分离区厚度较大，分离区外的流向速度明显衰减；而Mini-TED翼型前缘附近的局部速度峰值超过原型翼型，并在后缘低压区的共同影响下，流体有足够的动能克服逆压的影响，保持较高流速，流动分离弱于原型翼型，分离边界层厚度减小，边界层外流向速度高于原翼型。表明在大迎角时，Mini-TED翼型能够对全翼面流动分离产生一定的抑制作用，改善大迎角时翼型的升力特性。

图 8是NACA23012原型和后移式Mini-TED翼型的下翼面速度等值线和流线。迎角0°时，两种翼型前驻点位置大致重合，故上翼面的速度峰值和位置差别不大；随着迎角的增加(如图 8(b)和8(c)所示)，驻点位置向下游移动，且两种翼型的驻点逐渐产生位置差，Mini-TED翼型前驻点比原型翼型稍远离前缘，使气流以更高的速度绕过前缘到达上翼面。因此，前驻点较远的后移和后缘涡旋低压区的共同影响，导致Mini-TED翼型上翼面流速较高，从而受到更大的吸力作用。

图 8 两种翼型下翼面流速分布云图 Fig. 8 Velocity contours over the lower-surface of airfoils

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同时，两种翼型前驻点周围的低速区范围随着迎角的增加而持续扩大，使下翼面静压增加。在相同迎角下Mini-TED翼型下翼面流速均低于原型翼型，压力分布高于原型翼型，再结合考虑两种翼型上翼面速度分布的差别，可以推断Mini-TED翼型在各迎角下均比原翼型获得更高的升力。具体来看，原型翼型的流动从驻点起向下游加速较快，下翼面高流速覆盖的区域范围大，当流速达到最大值后从翼型后段逐渐减速。对于Mini-TED翼型在小迎角时，流动在后缘附近受到阻碍，形成局部静压集中，使Mini-TED翼型下翼面存在较大逆压梯度，因此流动加速达到最大值后，从翼型中段起已经开始减速；而中等迎角10°时，流动从最大值减速后，受到后缘低压区的吸引，流速再次增加，在绕过Mini-TED尖缘时形成局部强剪切流动；迎角15°时，流速从前驻点起向后缘持续加速，没有出现明显的减速过程，说明Mini-TED对下翼面气流的阻碍作用随着迎角的增加而减弱，翼面流速低于原型翼型的主要原因在于整个翼型迎风面积的增加，导致翼型压差阻力的提高。另外各迎角时，在Mini-TED襟翼前部与主翼连接的角区流速下降为零(如图 8(a)、 (c)红色方框内所示)，静压达最大值，对后缘附近局部升力增加有贡献，并可能使翼型受到低头力矩的作用。Mini-TED翼型的流线在襟翼之前即已开始向下偏折，而原型翼的流线在后缘附近均沿翼面流动,因此后移式Mini-TED使尾流的下洗角增大，翼型有效弯度增加，升力可得到提高。 3 结 论

本文通过PIV实验测量，对比讨论了在低雷诺数下安装有后移式Mini-TED的NACA23012翼型和NACA23012原型周围的速度分布，以了解Mini-TED翼型流动结构对气动特性产生的影响，得到如下结论：

相比NACA23012原型翼型，后移式 Mini-TED使上翼型流速增加下翼面流速降低，并改变了上翼面最大速度值的位置，推迟了上翼面流动分离的发生。在上翼面静压下降和下翼面静压增长的共同作用下，Mini-TED翼型比NACA23012原型获得更高的升力，但同时压差阻力和摩阻也将有所增长。

后移式 Mini-TED翼型后缘后形成了一对逆向旋转的涡结构，在该涡旋低压区减弱了后缘附近的逆压梯度，对翼面流动起引射作用，是上翼面保持较高流速并使流动分离受到抑制的主要原因，同时使后驻点向后下方偏移，故而改变后缘库塔条件，等效于翼型的气动弦长和弯度的增加，对翼型升力产生积极影响。双涡结构使得尾流速度亏损区下移并增大了尾流宽度，增加了翼型的动量损失，引起翼型阻力的增加。在双涡低压区与Mini-TED下方的静压集中的共同影响下，翼型后缘将受到额外的局部升力增加，使翼型受到低头力矩的作用。

为验证本文根据流场结构对气动特性变化趋势的推断，我们还进行了后移式Mini-TED翼型表面压力分布和气动力的测量研究，该部分研究结果已另外撰文进行总结。另外，本实验仅针对具有特定形态的后移式Mini-TED翼型进行流场结构的研究，未进一步对比探讨不同安装状态下后移式Mini-TED翼型对流场和气动特性的影响，希望在未来的实验中发现具有最优化气动特性的后移式Mini-TED几何参数。