激波风洞气动力试验不确定度影响因素分析

参考北大西洋公约组织和AIAA推荐的风洞试验数据不确定度计算方法，结合激波风洞运行特点，确定激波风洞气动力试验的主要误差源，计算激波风洞13-2标模气动力测量结果的不确定度。采用改变单一变量的方法计算主要误差源对测量结果不确定度的影响程度，辨析对不确定度起主要作用的基本参数。计算结果表明：皮托压力和总压的测量结果对流场参数影响显著，皮托压力的测量结果比总压测量结果对流场参数与气动力测量结果影响更大；降低皮托压力和总压的偏离极限，有利于提高激波风洞气动力试验数据的质量。     

2.4m跨声速风洞大型飞机试验不确定度评估

2.4m跨声速风洞作为中国目前唯一的大型跨声速气动力试验设备,在中国大型飞机研制中发挥着十分重要的作用。因此,对该风洞试验数据质量的评估、控制和改进提高是一项紧迫的工作。笔者通过完善不确定度计算方法、详细标定基本不确定度源和编制评估软件等工作,建立了该风洞大型飞机试验的不确定度评估方法,并对某大型飞机模型试验结果开展了具体的评估与分析,澄清了该风洞大型飞机试验数据的质量水平。     

基于非线性试验气动力的飞机静气动弹性响应分析

分别使用线性和非线性静气动弹性分析方法,对某飞机纵向静气动弹性响应特性随飞行动压、攻角、平尾偏度和纵向过载变化的趋势进行了分析,并将分析结果和飞行试验进行了比较。线性方法的气动力计算使用亚音速偶极子格网法。非线性方法由风洞试验提供刚体气动力,并使用线性气动力影响系数矩阵对其进行弹性化处理。通过对两种方法的计算结果进行对比分析可以看出:①使用刚体试验气动力的非线性分析方法能够获得和飞行试验比较一致的结果;②在线性方法所提供的结果中,翼面的弯曲变形及剪力、弯矩和扭矩等部分参数能为初步设计提供大致参考,但气动力系数的弹性增量、翼面的扭转变形、翼面的剪力、弯矩和扭矩的弹性部分可能不能为型号设计提供正确的指导;③不论刚体气动力为线性还是非线性,气动力系数随动压变化的趋势均呈线性。     

高超声速流动多物理效应对美国航天飞机气动力影响研究的回顾

临近空间高超声速流动往往存在真实气体效应、稀薄气体效应和粘性干扰效应等多种复杂的物理、化学和流动现象。围绕高超声速绕流中多物理效应这一主题,对美国航天飞机高超声速气动力研究的工作按飞行前与飞行后两个阶段进行了回顾。在飞行前阶段,主要介绍了气动力外推参数的研究和不确定度研究的内容,确定了以第三粘性系数珔V'∞作为气动力特性外推参数,以及给出了气动力不确定的计算方法;而在飞行后阶段,主要介绍了飞行试验数据与预测数据的对比、纵向配平异常分析和外推方法,给出了初步的由风洞数据外推到飞行数据的外推方法,确认了真实气体效应对航天飞机气动特性影响,但是否对舵面效率产生影响没有达成一致的结论。而后,作者讨论了避免纵向配平异常的可能性、体襟翼效率数值计算与试验的差异、气动力不确定度研究和建立飞行试验/风洞试验/数值计算数据共享机制四个方面的问题。另外,早期的研究文献提到了航天飞机在再入过程中这些效应是同时存在的,在当时的研究条件下难以区分各自对气动力特性的影响,后来的研究文献也没有着力于研究其耦合影响效应对航天飞机气动力特性的影响,这为下一步研究再入飞行器高超声速绕流流动的多物理效应提供了指引。     

2．4m跨声速风洞带TPS测力试验数据精度要求分析

成功建立带TPS风洞测力试验技术的一个关键问题是确保试验数据具有足够的精度，必须精细地分配误差。为获得满足工程需要的高精度测力试验数据，给出一种基于计算机符号运算的子程序，完成不确定度计算过程中公式自动推导、计算。最后通过对TPS风洞试验数据精度的敏度分析，给出了某运输机在2．4m跨声速风洞TPS试验中各环节的误差分配要求。     

超燃冲压发动机性能参数测量不确定度分析

以AIAA(AIAA S-071A-1999)推荐的不确定度评估标准,借鉴国内外在风洞试验、航空发动机性能测量、火箭发动机地面试验性能等不确定度分析方面开展的研究工作,建立了符合统计学一般原理的超燃冲压发动机总体性能参数测量不确定度分析和计算方法,开展了超燃冲压发动机总体性能参数测量不确定度进行了分析。结果表明:超燃冲压发动机自由射流试验中系统误差引入的不确定度占主导地位,占总不确定度的90%以上。该研究结果有利于提高超燃冲压发动机总体性能测量精度,为超燃冲压发动机的科学研究和工程设计提供支撑。     

临近空间高速飞行器微量气动力试验及计算

针对临近空间大气环境微量气动力风洞试验准确测量需求，研制了微量天平测力系统，实现了微量天平的结构设计和静态校准。采用钝锥简单外形进行试验验证，并对三角翼升力体复杂外形做了探索，结果表明：钝锥外形验证试验中，3次试验时天平各载荷单元的气动数据重复性精度均优于4.8%；探索试验中，三角翼升力体外形采用该风洞目前能达到最低密度状态，试验结果表明：该微量测力天平在极限状态下表现较好。在此基础上，利用数值计算方法对上述外形进行模拟，并将模拟结果与试验结果进行对比，表明数值计算得到的钝锥和三角翼升力体的气动力均与微量天平测力结果吻合较好；对于简单钝锥外形，在其试验条件下，钝锥表面压阻远高于摩阻；对于三角翼升力体外形，其试验条件下环境大气更加稀薄，三角翼表面摩阻占比与压阻相当。     

翼型模型几何误差对气动性能影响的自动微分分析方法

基于自动微分原理和NS方程有限体积方法建立了一套翼型敏感性导数计算方法和程序,可以一次性获得翼型不同气动力系数、压力分布对模型几何外形误差的敏感性导数和不确定度。计算结果表明,在跨声速范围内,即使翼型的外形误差只有63μm(弦长1m),也可以给翼型压力分布带来0.312(以来流动压为参考)量级的不确定度,而激波处的流动最为敏感。这种自动微分方法对于分析数值模拟结果的分散性、风洞试验结果的分散性或不确定性具有很好的指导意义。     

发动机台架试验空气流量测量不确定度分析

针对航空发动机台架试验中空气流量测试不确定度的评定问题,使用GUM法进行评估.计算结果揭示了测量不确定度大小与空气流量的关系,确定了流量管合适的工作范围.对不确定度来源进行计算分析,确定了测试结果不确定度的大小主要受压力测量精度的影响,而流量管尺寸以及进口总温的测量精度影响较小.     

建筑风环境风洞试验中风速探头的研制与应用

研制简易风速探头并通过风洞试验研究探头的气动力特性,为探头的推广应用奠定基础。基于Irwin提出的风速探头原理,研制了用于建筑风环境风洞试验的简易风速探头,对风速探头压力测试结果的影响因素进行了试验分析,并对探头进行了标定,给出了不同高度风速探头的标定系数,同时对湍流场中不同风速下的测试精度和探头间干扰效应对测试精度的影响作了试验分析,最后对一典型小区进行了风环境测试分析。研究结果表明：所研制的简易风速探头对平均风速有较高的测试精度,能够用于建筑风环境风洞试验。     

风洞试验雷诺数/静气动弹性效应分离方法

雷诺数是风洞试验的重要模拟参数之一,目前大多数试验采用增加气体介质密度的方式来提高试验雷诺数。这种试验方式获得的数据中雷诺数与模型静气动弹性效应相互耦合,难以分离,给数据修正和使用带来了较大的困难。针对雷诺数效应风洞试验中雷诺数与结构静变形影响相互耦合的问题,采用流体数值计算和静气动弹性耦合计算相结合的方法,研究了雷诺数和静气动弹性变形对模型气动力系数的影响。在归纳气动力系数随雷诺数和静气动弹性变形的变化规律的基础上,发展了一种雷诺数/静弹性效应数值分离技术,能够准确预测雷诺数与静气动弹性变形对气动力特性的影响。尤其是在刚性模型气动力系数随雷诺数对数呈现近似线性变化的情况下,获得了合理的气动力系数分离结果,为常规风洞增压变雷诺数试验提供了一种简便快捷的数据修正手段。     

后体参数对气动力的影响

本文从气动力优化的角度出发，提出影响飞机后体气动力的主要参数，通过理论分析，结合风洞试验和计算结果，确定了各主要参数的取值范围，并探讨了参数的敏感性。     

现代试验设计方法在高速风洞试验中的应用

为了验证现代试验设计(MDOE)方法在高速风洞试验中应用的可行性,进一步提高风洞试验效率,采用区组化的回归组合设计进行了某运输类飞机亚声速基本纵向常规测力风洞试验,通过少量关键控制点数据建立了气动力参数随马赫数和迎角变化的二阶响应面模型,并进行了方差分析及显著性检验。同时,通过额外增加的试验点检验响应面模型的精准度。试验及分析结果表明:通过回归组合设计少量试验点建立的纵向气动力系数响应面模型预测误差满足高速风洞飞机模型测力试验精度指标要求,方差分析(ANOVA)及显著性检验结果正确反映了迎角、马赫数对飞行器基本气动特性的影响规律,突显出MDOE方法应用于风洞试验方案设计及数据分析的显著优势。     

基于RVSM运行需求的波纹度影响分析方法

飞机静压源附近蒙皮存在波纹度会影响高度测量，进而影响飞机缩小垂直间隔最低标准（RVSM）运行能力的适航取证，因此需要对其影响量进行评估。针对典型波纹度模型，建立了基于小扰动假设的快速分析方法和CFD数值方法，对波纹度的压力影响进行了研究，结合风洞试验数据对研究方法进行了验证。验证结果表明，发展的数值计算方法可用于波纹度模型的评估分析，经900个测压孔数据统计分析，97.8%的数据点计算压力值与试验值的偏差在±0.002以内，计算精度较高；经三维修正的快速分析方法可以较为准确、快速地获得波纹度表面的压力影响量，可作为相关工程问题的快速评估手段。     

民机极限飞行状态的动态气动力试验与建模

飞行失控是造成民机灾难性航空事故的重要因素,飞行失控中飞机难以避免超出正常飞行包线范围,进入具有复杂非线性和非定常动态气动特性的极限飞行状态。本文开展典型民机布局飞机极限飞行状态的动导数、大振幅试验,对大迎角动态气动力的参数影响规律以及非线性、非定常特性进行分析和建模。结果表明,在飞机失速到过失速区域,飞行姿态快速变化过程中动态气动力的非线性和非定常特征显著;在动导数试验和建模中,考虑运动角速率的影响,可以预示气动力非线性的迎角范围,并捕捉到关于飞机动稳定性演化的关键特征;利用Goman-Khrabrov状态空间模型结合大振幅试验,可以确定模型中表征非定常特征的关键时间常数,获得特定极限飞行状态运动中的非定常动态气动力特性。研究方法和结果为开展民机极限飞行状态的动态气动力风洞试验设计与建模提供了一个可行途径,能改进飞机飞行失控预防、极限状态改出、飞行模拟训练和飞行事故分析等。     

风洞流场校测与试验数据不确定度

风洞试验数据的不确定度水平反映了风洞试验结果的精确性和可靠性，在所有影响试验数据精确性的因素中，流场校测误差是一个重要而容易被忽略的因素。本文通过分析表明，超音速速度场校准误差和跨音速参考马赫数误差是影响常规测压与测力试验数据不确定度的主要因素，所以合理的进行跨、超音速流场校测，提高流场校测精准度对于提高试验数据质量具有重要意义。     

翼尖帆片的优化设计

本文提出了带翼尖帆片的非共面机翼气动力计算以及帆片参数优化计算方法。文中采用涡格法研制了一种有效的非共同气动力计算程序，采用Ｐｏｗｅｌｌ方法进行优化计算，以获得最优的帆片配置方案。设计了某运输机的翼尖帆片，计算了升力和阻力系数，其结果与风洞试验值基本一致。计算和风洞试验结果表明，翼尖帆片对减少机翼的诱导阻力具有明显效果，本文的方法可供翼尖帆片初步设计应用。     

高超声速风洞流场非均匀性对气动力试验影响研究

高超声速风洞流场品质是气动力试验主要误差的决定因素,常规高超声速风洞流场均匀性虽然满足国军标GJB4399-2002《高超声速风洞气动力试验方法》对风洞流场品质的要求,但其风洞流场严格意义上说是“非均匀”的,这种流场非均匀性会对模型气动力特性存在不同程度的影响。为此,在CARDC常规高超声速风洞中开展了某升力体模型和某通气模型“多位置试验”,验证了风洞流场的非均匀性对飞行器气动力(特别是力矩特性)试验结果有显著影响,这种影响量已远超过常规的风洞重复性试验误差,甚至大于国内现有的在AIAA-S071A-1999标准上建立的不确定度评估方法所获取的“不确定度”。     

梯形翼高升力构型的数值模拟技术

基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程和结构网格技术,采用亚跨超声速平台(TRIP3.0),数值模拟了美国国家航空航天局(NASA)梯形翼构型。研究了控制方程、网格密度、流动转捩和初始条件等不同影响因素对气动特性的影响。风洞试验是2002年在NASA Langley 14ft×22ft亚声速风洞中完成的,试验结果包括了基本气动力和力矩、表面压力系数和边界层速度型分布。计算结果与试验数据的比较表明:求解完全的RANS方程,提高了翼梢涡的模拟精度;网格密度主要影响翼梢涡的强度;转捩模型提高了边界层的模拟精度,进而提高了升力系数、俯仰力矩系数的模拟精度;最大升力系数及失速迎角对初始条件具有依赖性。     

球双锥外形稀薄过渡流区气动特性研究

采用风洞试验和工程计算相结合的方法,对球双锥类外形的稀薄过渡流区气动特性进行了研究。风洞试验在高超声速低密度风洞中进行,设计了高灵敏度的外式微量天平,解决了温度防护和高精度校准的问题,得到了球双锥外形在高度65km~75km、高超声速流动的气动力数据。在此基础上,结合球双锥细长体外形绕流的特点和DSMC数值模拟结果,从连续流粘性干扰模型、关联参数选取、过渡流搭桥函数等三个方面对现有工程计算方法进行了改进。研究结果表明:稀薄效应对球双锥外形的气动特性,尤其是轴向力系数和升阻比产生非常大的影响;计算与试验结果的对比表明,计算模型的改进效果显著,大幅度提高了预测值的准度。