火星进入器高空稀薄气动特性

针对火星稀薄大气环境进入器气动特性问题,以类火星科学实验室外形为例,计算分析火星稀薄大气真实气体效应对气动特性的影响,给出火星高空稀薄环境下的气动特性规律。研究发现,随着飞行高度的增加,稀薄度增加,激波脱体距离、激波厚度增大,激波强度减弱,明显的激波结构逐渐消失,流场等值线更趋于圆弧状分布;真实气体效应使得迎风面压缩及背风面膨胀增强,轴向力、法向力及顶点力矩系数等预测结果与完全气体模型预测结果相比绝对值偏大;随着稀薄度增大,轴向力、法向力及顶点力矩系数等绝对值增大,在同样的迎角下,随稀薄度的增加,纵向压心前移,进入器的静稳定性变差。     

高超音速进气道的附面层问题

本文论述了高超音速进气道所面临的严重附层面问题,高超音速附面层的特点,高超音速附面层对进气道性能的影响,影响附面层转捩和厚度的诸因素.对如何控制和改善附面层及在设计高超音速进气道时如何考虑附面层因素,亦提出了一些初步看法.     

乘波前体两侧高超声速内收缩进气道一体化设计

为了探索两侧进气系统的流场结构及气动性能,采用吻切锥乘波前体、压升规律可控的一种高超声速内收缩进气道设计了两侧进气布局的高超声速飞行器一体化进气系统,并进行了数值模拟,研究了进气系统的流场结构、速度特性、攻角特性以及侧滑角特性等。结果表明,设计点前体外流场和进气道内流场相互独立,接力点前体前缘激波和进气道前缘激波相互耦合。由于未吞入前体附面层,因而进气道内激波附面层相互作用较弱,没有产生分离;随来流马赫数增大,进气道总压恢复系数减小,增压比增大显著,升阻比几乎不变;随攻角增大,流量系数增大明显,总压恢复系数略有减小,增压比增大明显,升阻比逐渐增大;随侧滑角增大,进气道总体性能逐渐减小,迎风侧进气道性能下降较小,背风侧进气道性能下降明显。     

方形截面飞行器上仰机动对滚转特性影响的数值模拟

飞行器从中小迎角至大迎角范围内,由于背风区流动分离形态的演化,静态气动特性特别是横侧向气动特性也随迎角显著变化,可能诱发复杂的滚转运动。但飞行器一般是上仰机动时,才从平飞状态快速拉起至大迎角,此机动过程对横侧向气动特性和滚转运动可能产生较大影响。本文发展了刚体动力学方程和Navier-Stokes方程的松耦合求解技术,并通过数值模拟航天飞机脱落碎片的六自由度运动轨迹进行了验证。针对背风区涡流形态及横侧向气动特性复杂的方形截面飞行器,数值模拟研究了其不同迎角下的静态滚转气动特性、自由滚转运动特性,以及上仰机动时不同拉起速率对滚转运动特性的影响。结果表明,对于此飞行器,静态时存在临界迎角约为13°,当迎角小于临界迎角时,滚转方向是静不稳定的,诱发快速滚转运动;当迎角大于临界迎角时,滚转方向是静稳定的,其滚转运动是收敛的。但上仰机动时,滚转运动的形态还与拉起速率相关,即使拉起的终止迎角大于临界迎角,如果拉起速率较慢,也可能出现快速滚转运动。     

基于全速势方程的超临界翼型设计

基于全速势方程,完成了超临界翼型设计。首先分析了最优化设计和反设计两种常用的翼型设计方法的特点。综合考虑两种方法的利弊,选用最优化设计法。结果显示,设计理论和实施方法完全适合现代翼型设计,设计结果可以满足设计指标要求,诸如巡航状态下的升力系数、阻力系数、升阻比、攻角、翼型最大厚度及厚度位置、巡航效率、压力分布形态、激波强度等等。     

飞机结冰后非线性气动力建模及动态响应特性研究

当前结冰后的动力学仿真主要基于线性气动力模型及结冰影响模型进行,对于结冰后非线性气动力模型的研究较少,然而这对于飞机结冰后在大迎角等非线性区域的动力学分析极为重要.研究了飞机结冰后的非线性气动力模型,将结冰后线性气动力模型的估算方法扩展到非线性气动力模型上,并在结冰后大迎角区域风洞试验数据的基础之上,对失速及过失速区的气动参数变化进行修正.研究了飞机在不同升降舵脉冲信号作用下的动态响应.仿真结果表明,计算结果能够较好地反映飞机在结冰状态下的动力学特性,提出的非线性结冰影响模型能够为结冰条件下研究飞机失速及过失速区域的动力学特性提供理论支撑.     

吸气式高超声速飞行器大迎角气动特性分析

吸气式高超声速飞行器在飞行过程中受到大气紊流等外部干扰的作用时,飞行姿态很可能会出现大迎角情况。针对大迎角飞行时飞行器可能出现的气动问题,对一种典型吸气式高超声速飞行器的流场进行了数值模拟。以雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程为控制方程,采用标准k-ε湍流模型求解,得到其流场特征和气动特性。重点针对大迎角情况,分别对整机气动特性、进气道性能和全动尾翼气动性能进行了分析,并结合流场特征作出解释。结果表明,机身和发动机之间存在气动/推进耦合现象。大迎角下飞行器的气动参数表现出非线性特性,升阻比减小,整机纵向表现为静不稳定,且不稳定性随迎角增大而增大;进气道性能在大迎角下降低,从而导致发动机推力下降,不利于发动机的正常工作,但却适当降低了整机的纵向静不稳定度;全动尾翼操纵效率降低从而使得配平难度增大。     

平衡气体对乘波体气动力特性影响

通过计算流体动力学(CFD)方法研究了乘波体在平衡气体条件下的气动力性能,并与完全气体条件下的计算结果进行了对比,分析结果表明:平衡气体对乘波体气动性能的影响是由边界层内的化学反应降低了边界层诱导压力而产生的.相对于攻角的影响,平衡气体效应对乘波体升阻比及俯仰力矩的影响并不大,但对压心位置有一定影响;并且平衡气体效应对乘波体气动特性的影响规律有别于其对再入轨道器气动特性的影响规律.研究结果对高空滑翔乘波体飞行器的设计有一定的参考价值.      

高超声速轴对称流道冷流特征及气动力特性研究

对一种轴对称形式的高超声速飞行器全流道开展了风洞实验和数值模拟研究, 分析了不同来流总压、飞行攻角全流道的流场结构和气动力特性.研究结果表明:(1)一定范围内雷诺数的变化对全流道的流动结构和模型的气动力特性无显著影响, 因此所获得的风洞实验结果有望通过某种形式推广到飞行状态下使用;(2)飞行攻角对全流道的流动结构和升力系数有着显著影响, 但阻力系数的影响并不明显;(3)研究范围内来流马赫数的变化对全流道的流动结构有着一定影响, 但研究范围内, 阻力系数随马赫数的变化幅度较小;(4)由于轴对称流道的浸润面积较大, 研究范围内该类飞行器的摩擦阻力在全机阻力中占据了较大的比重, 设计状态下达全机气动力的62%;(5)与实验结果的对照表明, 所采用的数值模拟方法具有较高的精度.      

基于超燃冲压发动机的HIFiRE项目飞行试验研究进展

飞行器在临近空间内的气动特性及发动机性能一直是各国高超声速项目研究的重点,为探索边界层转捩、激波边界层相互作用以及气动加热效应,美澳牵头于2006年联合启动了HIFiRE项目,采用探空火箭发射进行重点技术验证的模式开展了系列创新性研究。项目重点关注20~38km空域,4~8速域飞行马赫数,试验方案通过单项验证、系统集成的思路逐步深入,将一体化设计的乘波体从无动力滑翔推进到有动力巡航,最终完成带超燃冲压发动机高升阻比飞行器的总体性能测试。研究结果表明:①试验飞行器的边界层转捩高度在35~25km;②乘波体飞行器在飞行马赫数为7时最大升阻比为5.6;③超燃冲压发动机的飞行试验中,在86.2kPa的恒定动压下,飞行马赫数从5.5加速到8.5,试验中发动机实现了从亚燃到超燃的模态转换。      

基于襟缝翼吹气技术的短距起降飞行器增升策略的数值模拟研究

边界层吹气是增加飞行器升力的有效措施.针对普通陆基起降飞行器,根据总体参数对其实现舰载起降的气动力特性需求进行分析并提出五组初步方案;同时对襟/缝翼定常吹气的增升潜力进行数值模拟研究.结果表明:襟/缝翼吹气能够使升力系数显著增加;襟翼和缝翼吹气存在相互干扰,升力增量的变化率随吹气动量系数的增加而减小;当吹气动量系数不大于6％时,襟/缝翼吹气最大升力系数最大可达1.85左右,α=15°时升力系数最大可达1.40左右,可满足所提五组气动力特性需求方案中的三组方案的舰载起降需求.     

高超声速双模块内转式进气道的流动特性研究-Part I： 设计状态

本文通过特征线法设计了基于多道激波+等熵压缩波的基准流场,在此基础上通过流线追踪法设计了双模块内转式进气道。通过数值仿真和风洞试验相结合的方法,获得了内转式进气道的内外流特性。研究结果表明：在内转进气道最大半径对应的角区位置存在大量的边界层堆积,受第二道激波/边界层干扰,在激波根部卷起锥形旋涡;在内转式进气道内部,唇罩激波和管道边界层干扰显著,管道内存在自唇罩指向压缩面的强周向压力梯度,从而诱导管道内边界层均往一处汇聚,卷起大尺度流向涡。仿真和试验结果表明在来流马赫数5.74,攻角0度状态下,进气道气动性能优良,出口总压恢复系数系数达到0.58,最大抗反压为112倍。     

熵层对高超声速二维钝楔气动参数的影响

采用薄激波层理论和流管质量守恒相结合的方法,分析了高超声速二维钝楔边界层外缘熵的分布规律,研究了熵层对边界层外缘密度、马赫数以及壁面气动加热等气动参数的影响.结果表明:边界层外缘熵在倒圆-肩部区下降最为剧烈,熵层对气动参数的影响在高超声速下不可忽略,特别是使转捩区和湍流区的气动加热增加约53.6%.因此,将表面流态控制在层流模式对高超声速飞行器热防护具有重要意义.      

扇翼飞行器翼型附面层控制数值模拟

基于扇翼飞行器翼型特殊的几何形状及流场特性,在原有翼型的弧形槽下方和后缘加装控制阀门,通过调节阀门开启及开启尺寸的大小,利用弧形槽低压涡所产生的吸力对翼型后缘的附面层进行一定的控制,达到增升减阻的效果。通过采用计算流体力学的方法对其机理及阀门开启尺寸的影响进行了详细计算和分析,研究表明当阀门开启的尺寸为10 mm时,修改翼型的最大升力系数、失速迎角及相同迎角下的升力系数和推力系数均大于基本翼型;随着阀门开启尺寸的增大,修改翼型的最大升力系数和失速迎角均减小,但是在失速前,修改翼型在相同迎角下的升力系数大于基本翼型。此方法可以改变先前通过增大横流风扇的转速来提高其气动性能的做法,减小了能量的消耗,增大了整个飞行器的航程,为扇翼飞行器能够早日投入实际运用奠定了一定的理论基础。     

后掠机翼人工转捩最佳粗糙带高度数值预测

介绍了基于当地变量的γ-Re_θ转捩模型,并将该模型应用到后掠机翼的转捩预测和人工转捩最佳粗糙带高度以及人工转捩技术能够模拟的大气飞行雷诺数的确定中。为检验γ-Re_θ转捩模型对后掠机翼转捩的预测能力,对ONERA M6机翼和DLR-F4标模机翼进行了边界层转捩预测,采用结构化网格和有限体积法求解雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程,得到了机翼表面的摩擦阻力系数分布,从而可以得到相应的转捩位置,预测得到的转捩位置与试验结果比较吻合,说明该模型对后掠机翼转捩预测是可信的。最后在DLR-F4标模机翼上表面固定了粗糙带,通过相同的方法得到了转捩位置,从而确定了马赫数为0.785、雷诺数为3.0×10⁶时最佳粗糙带高度为0.11 mm;通过不断增大雷诺数使自由转捩位置不断向前缘移动,验证了人工转捩对大气飞行雷诺数的模拟能力。结果表明,在最佳粗糙带高度为0.11 mm下,可以实现对大气飞行高雷诺数的模拟。     

带升力风扇飞翼布局开口机翼气动特性研究

为获得带升力风扇飞翼布局飞机因开口对机翼气动特性的影响规律,对平飞状态下开口机翼的气动特性进行三维气动仿真,分析升力系数、阻力系数和力矩系数随来流速度和迎角变化的特性.结果表明:随着来流速度增大,阻力和力矩呈上升趋势;来流速度一定时,随着迎角加大,升力系数增大,阻力系数先减小后增大;随着迎角增大,力矩系数先减小后增大再减小,且一直产生低头力矩.     

前缘下垂结合内吹式襟翼失速特性研究

内吹式襟翼具有高效的增升能力,但失速迎角在较高的吹气动量系数下下降明显,为改善其失速特性,研究内吹式襟翼加装前缘下垂后的失速特性。对前缘下垂结合无缝襟翼的亚声速翼型在环量控制作用下的流场进行数值模拟,研究吹气动量系数对失速特性的影响规律,前缘刚性偏转、弯度变化和厚度变化对失速特性的改善作用,以及改变襟翼偏角研究前缘下垂...     

Challenges in high-alpha vehicle dynamics

The evolution of aerospace vehicles towards ever-increasing maneuverability, including flight at high angles of attack and vehicle motions of large amplitudes and high angular rates, has led to the need for prediction of vehicle aerodynamics that are dominated by unsteady separated flow effects. The existing data base is reviewed to determine to what degree the following critical issues are understood: 1. Cause and effect of asymmetric forebody flow separation with associated vortices. 2. Cause of slender wing rock. 3. Effect of vehicle motion on dynamic airfoil stall. 4. Extrapolation from subscale tests to full-scale free flight. To extend the present knowledge to include the coupling existing between novel aerodynamic controls and the vehicle dynamics is the challenge facing designers of future agile aircraft operating at high angles of attack.     

膨胀效应对激波/湍流边界层干扰的影响

采用直接数值模拟方法对来流马赫数2.9,30°激波角的入射激波与膨胀角湍流边界层干扰问题进行了数值研究。入射激波在壁面上的名义入射点固定在膨胀角角点,膨胀角角度分别取为0°、2°、5°和10°。通过改变膨胀角角度,考察了膨胀效应对干扰区内复杂流动现象的影响规律和作用机制,如分离泡、物面压力脉动特性、膨胀区湍流边界层和物面剪切应力脉动场等。研究发现,膨胀角角度的增大使得分离区流向长度和法向高度急剧降低,尤其是在强膨胀效应下分离泡形态呈现整体往下游偏移的双峰结构。物面压力脉动功率谱结果表明,膨胀角为2°和5°时,分离激波的非定常运动仍表征为大尺度低频振荡,而膨胀角为10°,强膨胀效应极大地抑制了分离激波的低频振荡,加速了下游再附边界层物面压力脉动的恢复过程。膨胀区湍流边界层雷诺剪切应力各象限事件贡献和出现概率呈现逐步恢复到上游湍流边界层的趋势,Görtler-like流向涡结构展向和法向尺度变化剧烈,同时在近壁区将诱导生成大量小尺度流向涡。此外,物面剪切应力脉动场的本征正交分解分析指出,膨胀效应的影响体现在低阶模态能量的急剧降低从而使得高阶模态的总体贡献相对升高。     

民机风洞试验半模垫板高度对气动特性的影响

半模作为提高大型商用飞机风洞试验雷诺数的一种模拟手段而被广泛应用。首先回顾了半模试验的模拟方式及其优劣,进而选取当前发展趋势的附面层垫板作为研究对象,采用数值模拟研究了垫板高度变化对气动特性影响的内在机理。数值模拟结果和试验吻合较好,数值计算采用速度分布入口可以较好模拟风洞核心段边界层厚度,计算值和试验值更加接近;垫板高度的增加使得升力系数增加、阻力系数减小及俯仰力矩系数增加;垫板在机翼上游区引起的上洗使得机翼沿展向各剖面当地迎角增加5%、动压增加1%,从而使得机翼上翼面压力分布朝负值方向移动。有别于以往认为垫板的洗流只影响内侧机翼,结果表明垫板影响范围扩展至全翼展,当地迎角的增加是主要影响因素,垫板对机翼展向各剖面影响量值不一致,对内侧机翼影响较大。所得结论可更好用于民机半模风洞试验的开展,具有一定的工程实用性。