地面效应作用下翼尖涡特性的PIV实验研究

完成了NACA23012机翼地面效应条件下翼尖涡结构及升阻力特性实验。实验在拖曳水槽中模拟机翼的飞行状态,获得了在多种飞行高度、0°攻角时机翼在水平地面和正弦波浪地面附近的升/阻力、翼尖涡流场的变化规律,对比分析了水平地面和波浪地面附近翼尖涡速度、涡量分布的区别及其可能对机翼升/阻力造成的影响。实验结果表明:即使在正弦波浪地面附近,随着机翼逐渐靠近地面,升力逐渐减小至负升力,翼尖涡的强度亦发生相应变化;尤其是在小间隙比、负升力情况下,翼尖涡的旋转方向产生了改变;流场结构不仅受机翼距地面高度影响,也随着波浪地面与机翼瞬时所处位置构成的相对相位关系的不同而变化,并且涡量沿波浪地面运动的变化呈现周期性,但变化规律并不符合正弦周期,主要原因在于波浪地形与下翼面所构成的流道形状及狭窄程度的周期性变化对翼尖涡流场结构的发展和演化产生不同程度的抑制。     

刚性开孔结构斜风向内压响应的风洞试验研究

对刚性开孔结构在斜风向作用下的内压响应进行了风洞试验研究。在浙江大学ZD-1边界层风洞中对单一开孔的刚性结构在均匀流场和湍流场中进行了动态内压的测试,探讨了风向角、湍流度、风速、孔口特征等参数对内压响应的影响,重点分析了斜风向作用下内压动态响应的特征,初步探索了涡激内压共振的机理。研究发现在斜风作用下以封闭结构孔口处平均风压来估算平均内压会偏危险;刚性开孔结构在斜风向作用下会产生涡激内压共振效应,导致内压脉动增大,斜风剪切流在孔口处产生涡脱落与Helmholtz共振的共同作用是产生涡激内压共振的原因。参数对比试验结果表明,湍流强度越小、风速越高,涡激内压共振发生的可能性越大,扁矩形孔口能抑制内压涡激共振的发生。     

非定常自由来流对二维翼型气动特性的影响研究

利用计算软件和实验测量方法,研究了非定常自由来流对静态二维翼型气动特性的影响,分析研究了来流速度脉动频率变化对气动特性产生的作用.结果表明,来流速度以短周期脉动时,升力系数随来流速度的减小而增加;来流速度以长周期脉动时,升力系数随来流速度的减小而减小.分析表明这与前缘分离涡在翼面上的传递过程有关.又利用二维翼型动态实验台,研究了非定常自由来流对做动态运动的二维翼型气动特性的影响.结果表明,来流风速的脉动使升力系数的迟滞包线进一步扩大,最大升力系数增加.     

侧风环境下行驶的直背式轿车气动力计算

分别对直背式简化轿车模型在无侧风、稳态侧风、非稳态侧风三种条件下汽车周围流场进行了数值模拟,并对汽车受到的气动力进行了计算.结果表明,定常侧风会产生较大侧向力,阻力和升力也有一定增加;在非定常侧风作用下,气动力变化趋势与侧风速率变化趋势基本相同.阻力增大幅度较为平缓,侧向力增大较为显著,升力处于两者之间.当侧风增大到一定速率后,车外流场会发生较大变化,尾涡会转变为侧向涡.      

地面效应试验中固定地板附面层的影响

本文用涡格法和三元紊流附面层的积分方法计算了地面效应试验中固定地板附面层位移面的形状以及对模型气动特性产生影响的原因。理论计算和实验结果表明,模型的升力系数和俯仰力矩系数随无模型影响的地板附面层位移厚度的变化,两者符合得较好。     

斜突风载荷分析方法研究

建立T-尾飞机的斜突风模型,将其分解为垂直和侧向两个方向的突风分量,根据线性飞机系统突风响应载荷与突风激励成线性关系的特征,利用垂直离散突风和侧向离散突风响应分析分别求得斜突风两个分量在平尾上产生的响应载荷,通过斜突风载荷分析方法得到各种工况斜突风载荷的最大值和最小值及与之对应的斜突风方向角φ。     

涡破裂诱导的垂尾抖振数值模拟

 采用数值模拟方法研究了大后掠三角翼前缘涡破裂诱导的垂尾抖振问题,分析了大迎角条件下的垂尾抖振特性。采用Navier-Stokes方程求解非定常气动力、耦合结构动力学方程,建立了气动弹性方程,在时域内采用松耦合方式推进以得到垂尾结构响应。研究结果表明:涡破裂流的脉动频带覆盖了垂尾扭转模态的固有频率,诱发了垂尾抖振现象;与传统的颤振频域响应特性不同,垂尾抖振响应的各阶位移与加速度响应主频均位于各阶结构模态固有频率附近。此外,弯曲与扭转响应存在耦合效应,且耦合作用的频率与提取的垂尾表面气动载荷脉动频率一致。垂尾的位移响应由一阶弯曲模态主导,振幅不大;加速度响应主要由扭转模态产生,量级较大,使结构持续遭受严重的附加惯性载荷作用。     

带扰流板翼型的流场数值模拟

基于2D可压N-S方程,对带扰流板的翼型绕流流场进行非定常数值模拟.分别对迎角及扰流板偏角对气动性能的影响做了分析,结果表明,扰流板偏角固定,随迎角增大,升力曲线线性良好,阻力在正迎角范围内的斜率小于负迎角;迎角相同,扰流板偏角越大,升力越小,阻力则越大.扰流板后的流场是一复杂的周期性旋涡脱落过程,主要由板梢涡和后缘涡主导,两者相互作用,形成周期性旋涡脱落.     

不同涡脱落模式下垂直轴风力机叶片的气动响应

为研究尾流中不同涡脱落模式下垂直轴风力机(vertical-axis wind turbine,VAWT)叶片的气动响应，基于攻角变化相似性，进行了叶片正弦俯仰振动的比拟实验。研究发现：在弦长雷诺数O(10⁵)范围内，尾流存在3种涡型结构：前缘离散涡(leading-edge vortex,LEV)、蜿蜒尾流(undulating wake,UW)和反卡门涡街(reverse von Kármán vortex street,Rv KVS)；随着叶尖速比λ增大，VAWT叶片缩减频率k增大，攻角幅值α m减小；叶轮叶片几何尺度比R/c较小时，在低λ产生LEV涡型的可能性较小，在高λ产生Rv KVS涡型的可能性较大；R/c较大时，在低λ产生LEV涡型的可能性较大，在高λ产生Rv KVS涡型的可能性较小。LEV涡型导致轻动态失速，造成VAWT叶片发生高频俯仰振动，但对叶轮转矩和VAWT功率影响不大。Rv KVS涡型的出现，伴随叶片升力和转矩幅值增大以及平均推力的产生，会使VAWT叶片扭矩载荷增大，也会使叶轮转矩和输出功率提升。据此提出基于VAWT的新式风墙构型，在继承N...     

非对称地面效应对无尾飞机稳定性的影响

针对非对称地面效应,重点研究了非对称地面效应对飞机横向和航向气动特性的影响.采用计算流体力学(CFD)方法研究了机翼弦平面距甲板高度、雷诺数和甲板风速的影响,并通过与以往文献中的试验数据对比,验证了CFD方法的准确性.机翼弦平面高度是升力、滚转力矩和偏航力矩最主要的影响因素,降低机翼弦平面高度会减弱横向和航向稳定性.机翼弦平面高度从1.5m降低到1.2m和1.0m时,横向稳定性分别降低了2.8%和5.6%.增加雷诺数能够显著提高升力,但对偏航力矩影响不大.增加甲板风速度能提高升力和滚转力矩的绝对值.甲板风速从0m/s增加到15m/s,升力和滚转力矩仅变化1.1%和3.4%,因此甲板风速的作用是次要的.      

牵制缓释放过程中火箭动力响应特性分析

为研究运载火箭在牵制缓释放过程中的结构动力响应特性,将牵制缓释放发射过程依次分为静态竖立、点火牵制和缓释放三个阶段进行计算。运用MSC.Patran有限元程序的场功能来实现上一阶段的全部计算结果场向下一阶段初始条件场的传递,运用MSC.Nastran有限元程序的非线性弹簧单元的非线性位移载荷函数功能来模拟运载火箭缓释放过程中的缓释力,实现运载火箭牵制缓释放过程结构动力响应的数值计算,并对比分析运载火箭几种常用发射释放方式的结构动力响应特性。结果表明:采用牵制缓释放系统可有效减小运载火箭释放时所受冲击载荷,减小运载火箭全箭结构动力响应。     

采用纵横扭一体化建模技术分析火箭牵制释放过程动响应

分析火箭在释放过程中的动响应是将牵制释放技术运用到我国大推力火箭中的关键技术之一。采用纵横扭一体化梁模型分析火箭牵制释放动响应,将发射台对火箭的影响简化成相应的载荷和边界条件,采用分段计算的方法,把发射过程分成点火前的静止、点火后的牵制以及释放三阶段,计算了每个牵制点的牵制力变化规律,以及释放过程箭体上不同部位的动响应特点,并建立了相应的三维模型,进行对比论证。结果表明：纵横扭一体化梁模型在分析整体响应特性时模型简单,精度较高,可用于设计前期的初步分析。     

冲击风作用下大跨屋盖多模态随机风致响应研究

雷暴冲击风是一种近地面短时产生的瞬态强风,它与传统的边界层风场特征具有明显的差别,冲击风将会引起屋盖的强烈振动,甚至发生破坏.本文根据混合随机模型,详细研究了冲击风风场的数值模拟方法.应用Wood竖直风剖面方程与Holmes经验模型模拟平均风场,使用稳态高斯随机过程模拟脉动风场,模拟的风场与实际的雷暴冲击风较为一致.结合多阶模态加速度法和等效风荷载原理,详细推导了大跨屋盖随机风致响应的计算方法.结合边界层风洞试验,比较冲击风产生的表面风压特性,计算得到屋盖冲击风致动力响应时程,并研究了冲击风作用下大跨屋盖荷载风效应系数和位移风效应系数的分布特点.研究结果可作为评估大跨屋盖冲击风致响应的一种参考.     

可重复使用运载器磁悬浮助推发射参数研究

针对磁悬浮助推水平起飞运载器这种新型发射概念,采用概念性分析方法,研究地面发射参数对可重复使用运载器性能的影响规律。结果表明,助推发射水平起飞运载器在降低初始推重比、推进剂和结构质量等方面具有优势,最后得出地面发射参数的一组优化值。     

风—车—桥系统车辆风荷载突变效应风洞试验研究

侧向风作用下,车辆通过桥塔或双车交会时车辆所受风荷载会发生突变,这将影响行车的安全性和舒适性。基于自主研制的移动车辆模型风洞试验系统,针对轨道交通车辆和公路交通车辆,分别采用三车模型和单车模型测试了车辆通过桥塔和双车交会时车辆风荷载的突变过程,讨论了风速、车速、车辆所处轨道位置及车辆类型等因素对车辆气动力系数的影响。研究表明车辆运行于桥塔区域及双车交会时,车辆三分力系数均有不同程度的突变趋势;车辆运动引起的列车风使车辆阻力系数的突变程度减弱,使桥塔遮风效应的影响区域变长;公路交通车辆风荷载突变效应较轨道交通车辆的要明显;双车交会时,背风侧车辆风荷载急剧减小,迎风侧车辆三分力系数变化较平稳。     

磁悬浮助推发射气动力分析及风洞试验

通过分析磁悬浮助推发射装置的空气动力特征, 提出了其气动外形设计的合理原则.分析了磁悬浮橇体和支撑分离机构的气动外形方案, 并确定了优化的气动外形设计参数值.考虑地面效应模拟的同时, 在FD-06风洞中进行了缩比模型试验.结果表明, 升阻力系数随着马赫数或运载器迎角的增大而增大, 装置有上仰的趋势, 迎角为0°时, 阻力系数较小, 各系数的变化也较小.      

临近空间太阳能飞行器着陆状态阵风响应

对临近空间太阳能飞行器着陆状态时的阵风响应问题开展了数值模拟研究。针对该类飞行器质量轻、柔性大、降落时速度低的特点,基于 CFD/CSD松耦合分析法,利用网格速度法引入阵风载荷。以 1-cos阵风模型为基础,探讨了飞行器着陆状态遭遇二维阵风载荷时,其翼尖位移、扭转角、翼根所受结构整体弯矩以及升力系数的变化特性;并将二维阵风响应结果与一维阵风响应结果进行对比;获得了临近空间太阳能飞行器着陆时,二维阵风沿飞行器翼展方向的变化对其结构和气动性能的影响规律。     

火箭内装式机载发射运载能力分析

针对内装式机载发射运载火箭的分离方案,结合分离条件及某型号运载火箭,设计了火箭分离后的发射轨道,并研究了火箭的控制规律。分析和计算表明,所设计的发射轨道可满足卫星发射需求,所采取的控制规律切实可行,与地面发射相比,可大幅度提高运载火箭的发射能力。     

周边建筑对大跨屋盖风荷载的干扰效应研究

以天津国际金融会议酒店为例,采用多通道同步测压风洞试验技术,研究了周围高层建筑对大跨屋盖风荷载的干扰效应。试验结果表明：位于大跨屋盖两侧的高层建筑将引起明显的“穿堂风”效应,作用于大跨屋盖的风荷载将显著增加,但大跨屋盖上游高层建筑的“遮挡”作用,有利于减小两侧高层建筑引起的“穿堂风”效应,而下游高层建筑会加剧屋盖局部区域的“穿堂风”效应。周围高层建筑物的出现,增加了来流中的湍流成分,使得作用于大跨屋盖的脉动风荷载增大。     

某型飞机进气道地面涡畸变流动特性

以配装大涵道比涡扇发动机的某型运输机在未铺装跑道静止开车、滑行等实战使用环境为背景,建立了全尺寸三维仿真计算模型,通过数值仿真,分析研究了风速、风向以及滑跑速度对该型飞机进气道地面涡的流动特性及发动机进口畸变特性的影响。结果表明:该型运输机270°侧风条件下,随着风速的增加,地面涡强度呈现先增加后减小的规律,风速为2~4 m/s时强度最大,风速在6 m/s以上地面涡特性消失;风速为3m/s时,在风向为210°左右地面涡强度达到最大,外物吸入能力最高,其导致的进气道出口周向压力畸变最强。该型运输机滑行状态相对于其静止、逆风环境,地面涡的范围、强度均较小,对进气道出口流场品质也影响较弱。