環量

環量（circulation）是流體的速度沿着一條閉曲線的路徑積分，通常用Γ來表示。

一個矢量沿一條封閉曲線積分，得到的結果叫環量。

環量的量綱是長度的平方除以時間。

通過控制邊界層可改變處於氣流中物體的升力。實驗證明沿壁面從縫隙噴氣給邊界層補充能量，可推遲邊界層分離，從而達到增升減阻的目的。如圖1展示了邊界層控制在機翼上的幾種應用方式。

環量控制由邊界層控制發展而來，已成為一個專門課題。所謂環量控制，是指在後緣為圓弧形的翼型後部上表面開縫，氣流從縫中噴出，挾帶着上面的氣流繞後緣流動，直到在後緣某點分離，由此在該翼型上形成環量，產生升力。

環量控制翼型是一種高升力翼型，其升力產生機理是:通過設在翼型上的噴口噴氣給邊界層以補充能量，推動邊界層分離點後移，同時噴氣氣流對外流產生“裹攜”作用，使繞翼型的流動產生很大的環量，從而獲得高升力。Gregory McGowan、 Geffrey M. Lilley、 Warren J.Baker and Eric G. Paterson、Kai Christoph Pfingsten and Rolf Radespiel、Peter A. Chang, III等人用不同方法對二維、三維環量控制翼型進行了深入研究，發現噴氣速度、雷諾數、縫隙幾何參數等對翼型氣動特性有很大影響。

環量控制理論在上世紀初提出，很早已應用於固定翼飛機，且發展比較成熟。1966年Cheesem首先提出將環量控制應用於直升機旋翼，並設計了圓形橫截面的槳葉，通過環量控制產生升力。自上世紀六十年代初，環量控制被用於產生高升力，許多科學家進行了研究。1976年，美國麥道直升機公司開始探索直升機無尾槳技術，把環量控制技術應用於直升機尾梁，經過大量試驗和試飛驗證，證明環量控制尾梁完全可以代替傳統尾槳。 1980年，美國陸軍應用技術實驗室和美國國防部高級技術研究局與被麥道公司合併前的休斯直升機公司共同簽訂一項設計和製造一架無尾槳直升機原型機的合同。1981年，麥道公司將OH-6A改裝成無尾槳直升機原型機，同年12月首次試飛。1986年3月，經過重大修改的這架原型機重新試飛。1988年，麥道公司着手將MD500, 530發展為無尾槳直升機MD 520N/530N/900等，前兩種於1989年2月首次試飛，後者於1994年8月首次試飛，均已投入使用。

前蘇聯在1970年進行了環量控制方面的實驗，在1990年開始研製無尾槳直升機，卡莫夫設計局研製了一種單旋翼5座無尾槳公務運輸直升機一一卡-118。1990年2月4日，卡莫夫設計局在國際直升機學會上首次宣佈了這項直升機研製計劃，曾計劃於1995年之前試飛。但其具體研究工作對外秘而不宣，至今仍未見其研製情況的相關報道和研究資料。

國內在無尾槳技術領域的研究工作起步較晚，南航張呈林教授等人在1993-1996年在國內首次開展了“環量控制的無尾槳概念(NOTAR)研究”，在分析、借鑑國外研究工作基礎上，通過模型試驗研究了尾梁環量控制原理及其實現方法，得到了一些有指導意義的結論。 ^[1] 

過去設計軸流泵時，葉輪出口大多采用沿葉輪半徑方向等環量分佈規律，但試驗研究表明，速度環量沿半徑方向分佈並不是常數，其分佈規律是，靠近葉輪輪轂處與輪緣處的實際速度環量比設計環量大，如圖2所示。究其原因，可以認為是與葉片尺寸有限制所引起的端部效應影響，在葉片的根部和外緣均因與輪轂體及葉輪室之間存在間隙，在這種間隙中引起液體的附加流動，使得軸面速度減小，速度環量增加，並且在葉片的背面產生旋渦運動。

採用等環量的設計，在輪轂處的液流角往往比較大，使得葉片的扭曲角也相應的增大，水力損失增加，尤其在高比轉速軸流泵中由於揚程低，水力損失增大，在非設計工況下，泵效率下降明顯。國內外專家通過試驗發現了這一現象，因此從20世紀80年代開始探索採用變軸面速度、變環量流型進行軸流泵水力設計。趙錦屏、朱儁華提出採用如圖3所示的軸流泵葉輪出口軸面速度與環量分佈規律。按此規律設計的14ZM-70型軸流泵模型的水力效率可達(80~82)%，優於等軸面速度、等環量分佈流型，但未能達到同類型軸流泵模型水力效率87%左右的先進水平。這説明，他們所採用的泵輪出口軸面速度、環量的分佈規律並不是最佳分佈規律。

金仲華等人提出採用如圖4所示軸流泵輪出口軸面速度與環量分佈規律。按此設計的MARIC 43E泵水力效率達到84.5%，汽蝕性能較好，泵的性能已達到同類型軸流泵的先進水平。這説明，其所採用的軸流泵葉輪出口軸面速度、環量分佈規律已接近最佳分佈規律。 ^[2]