新概念机翼尾流特性实验

大型飞机常采用开启襟翼以增大机翼升力系数,实现较大迎角的起飞和降落,而机翼在大迎角状态下,翼尖会产生能量集中且自由消散时间长的飞机尾涡,严重影响后续起降飞机的安全。基于Rayleigh-Ludwieg不稳定性,提出一种新概念飞机襟翼布局,通过水槽实验发现:新概念布局的襟翼对翼尖涡的消散具有明显的促进作用,不同参数组合下襟翼涡对翼尖涡的运动特性和能量变化的影响均有不同。实验结果也为飞机尾流控制的研究提供了参考,在满足飞行力学设计的基础上,合理运用增升装置构建四涡系统可以有效促进飞机尾流的消散,提高机场飞机起降效率。     

飞机尾流涡的危害与研究现状

随着航空事业发展,飞机飞行间隔缩小、机体增大,尾流涡(Wake vortex)对航空管制的影响、空域容量的限制及对飞行安全的危害日益突出,目前已引起国际航空界的高度重视。本文从分析尾流涡的成因入手,介绍其对飞行的危害以及国外的研究现状。     

尾流—飞机的杀手

２００１年１１月１２日上午９∶１７分（北京时间）左右，飞往多米尼加共和国的美利坚航空公司５８７航班空客Ａ３００在纽约肯尼迪机场起飞后不久，坠毁于机场附近，机上２６５名乘客和机组人员全部遇难。据美国国家运输安全委员会主席布莱基１４日透露，初步调查显示，飞机失事可能与当天稍早起飞的一架日航波音７４７客机所产生的气流有关，也就是人们常说的飞机尾流。　从事航空飞行的人员都知道，雷暴、低能见度、颠簸等对航空飞行有很大的影响，严重时还会危及飞行安全，那么，尾流又会对航空飞行造成什么影响呢？飞机飞行时，在它后…     

ARJ21飞机遭遇不同前机尾流的响应和安全性研究

为研究在实际飞行中国产ARJ21飞机遭遇前机尾流时受到的气动力、力矩及飞行安全问题,基于经典尾涡模型和空气动力学响应模型,对ARJ21飞机遭遇尾流的响应和安全性进行了分析。首先,通过尾涡耗散模型和速度模型,建立了不同前机尾涡速度场;然后,根据ARJ21飞机空气动力学响应模型进行求解,得到其升力和滚转力矩;最后,将计算结果与过载增量指标和滚转力矩系数指标进行比较,分析了国际民航组织(ICAO)规定的中型机尾流间隔下ARJ21飞机的飞行安全性。研究结果表明：当ARJ21飞机以ICAO规定的中型机尾流间隔遭遇尾流时,过载增量均小于0.15(即处于无颠簸状态),最大滚转力矩系数均小于0.048;当滚转力矩系数在0.048～0.070时,相比于ICAO规定的中型机尾流间隔,ARJ21飞机跟随中型机的尾流间隔可以缩减2.2～2.7 km,跟随重型机的尾流间隔可以缩减0.7～1.8 km,跟随超重型机的尾流间隔可以缩减2.4～3.4 km。     

襟翼翼尖涡控制飞机尾流机制实验研究

为了研究襟翼小涡与主翼尖涡相交不稳定性触发条件,采用矩形机翼模型产生一对翼尖涡,同时在机翼上安装不同宽度及攻角的襟翼,对35个翼展下诱发R-L(Rayleigh-Ludwig)不稳定性的最佳涡系参数组合进行了研究。结果表明:通过水槽流动显示实验发现,单主翼尾涡在第35个翼展处未发生明显变化,能量衰减缓慢;加装襟翼后尾流不稳定性被触发,衰减效果明显,在一定范围内尾涡能量衰减值随着襟翼攻角的增大而增大;环量统计半径Rd=50mm时,对主翼尖涡环量进行PIV(Particle Image Velocimetry)分析时发现,当主翼攻角α=8°,襟翼攻角β=28°,襟翼宽度b=55mm,来流速度V=0.5m/s时尾涡能量消散最快,主翼尖涡环量在第35个翼展时衰减为第一个翼展的28%;证实通过安装合适的襟翼可以有效地控制飞机尾流,加速其破裂和消散。     

飞机尾涡系Rayleigh-Ludwieg不稳定性实验研究

以飞机起降过程中主翼和尾翼产生反向涡系存在相互作用的事实为背景,设计了一套反向双漩涡发生装置。通过改变两涡的位置关系与初始涡强度比值,采用流动显示与粒子成像测速(PIV)技术,对涡系相交不稳定性的作用特性进行了研究。结果表明:小涡的引入改变了主涡原有运动轨迹,合理地引入小涡的位置与小涡的强度,对主涡能量的衰减有明显的促进作用,但它们之间不呈现明显的线性关系;涡空间运动轨迹的分析,对未来完善机场起降控制模型有一定借鉴意义;实验结果也为飞机整体设计提供了一定参考依据,在满足飞行力学的设计基础上,优化整体气动布局对降低飞机尾流强度有显著的影响。     

飞机尾流观测研究进展

飞机尾流观测试验是研究飞机尾流演化耗散行为的基础。受到不同大气环境的影响,针对巡航、进近等阶段的飞机尾流观测具备一定的挑战性。本文综述了以风洞和拖曳水池为主的飞机尾流实验室观测,以及以激光雷达及微波雷达为主的飞机尾流现场观测的研究成果和研究进展。尾流的风洞观测试验能较好地实现对近区内飞机尾流卷起、发展、脱落,特别是对近区内尾流合并过程(包括飞机翼尖涡、襟翼涡、水平尾翼涡、发动机喷流间的合并)的观测;尾流的拖曳水池观测试验能较好地实现对飞机尾流在扩展近区、及中区内演化过程的观测。尾流的现场观测试验能有效地获取飞机尾流在真实大气背景场中的演化耗散过程,从而为研究不同大气背景条件对飞机尾流的影响,并进而建立飞机尾流动态间隔标准提供重要参考。     

飞机尾流的快速建模方法

尾流的强度主要由飞机的飞机重量、飞行速度和机翼形状所决定和仿真尾流的保守被动模型可很好的描述尾流系统中水蒸汽、位温等保守被动量的运动演化规律,但这种参数仿真时间长、对计算机要求高,不能实时预测任一机型所产生的尾流的状态分布特性.为此提出了一种尾流的快速建模方法,很好的解决了以往尾流实时仿真时的缺点,为飞机飞行过程中实时预测前机尾流的影响区域提供理论依据,从而减少尾流事故的发生.      

孤立翼尖涡模态演化规律的实验研究

采用主动流动控制方法加快翼尖涡衰减破碎是提升机场起降频率、保证飞机飞行安全的最具潜力的技术之一。由于翼尖涡不稳定性认识的不足,已有的主动控制方法常常不能获得最优的控制效果。为了揭示翼尖涡不稳定模态的演化规律,采用体视粒子图像测速技术和线性稳定性分析方法对孤立翼尖涡的不稳定模态演化特征进行研究,结果表明：孤立翼尖涡的扰动模态可以根据其在特征值谱的位置分成主扰动模态、P族次级扰动模态、A族次级扰动模态、S族次级扰动模态4种;其中主扰动模态和P族扰动模态具有两瓣式的结构特征,决定了翼尖涡摇摆的各向异性特征,A族次级扰动模态具有流向速度波动大于横向速度波动的特征,S族次级扰动模态则具有更高的切向波数和作用范围。不同族扰动模态的流向演化规律不同,翼尖涡的主扰动模态和P族扰动模态沿流向发生旋转,并且扰动幅值随着流向逐渐放大,A族次级扰动模态随着流向发展会逐渐增大扰动幅值;S族次级扰动模态随着流向会逐渐覆盖住整个涡核,这种穿透涡核的扰动会随着流向进一步放大。描述了不同翼尖涡扰动模态的扰动能量随流向的演化规律,发现S族次级扰动模态有更高的切向波数特征,也同时具有较高的扰动能量增长,意味着利用S族次级扰...     

飞机近场尾涡特性数值模拟研究

对飞机近场尾涡参数进行定量分析是研究尾涡运动、消散规律的基础,也是合理缩减空中交通尾流间隔的重要理论依据.采用有限体积法求解质量加权平均Navier-Stokes方程,湍流模型采用RSM模型,数值模拟了B757-200飞机的近场尾涡特性,并对飞机尾涡参数进行了相关计算.结果表明:在飞机尾涡的近场区域初始尾涡位置与飞机迎角无关;涡核间距随流向距离的增加线性减小;尾涡切向速度的最大值随流向距离的增加呈指数规律递减;涡核半径约为机翼展长的5％ ～ 10％.     

基于涡尾迹方法的风力机载荷与响应计算

采用涡尾迹方法计算准定常气动性能,结合Leishman-Beddoes动态失速模型计算叶片的非定常气动力。应用有限元分析软件,分析风力机在不同转速下的风轮模态,塔架的前后、左右振动模态。基于非定常气动力和结构振动模态,针对风力机风轮,建立其结构运动方程。求解出的叶片振动速度加入到非定常气动力的计算中,从而建立了考虑叶片振动的风力机载荷、响应计算模型。分析了Phase VI叶片和某1.5MW风力机各个叶片截面的气动力、振动位移和振动速度随时间的响应曲线,表明该方法能够较好地计算出风力机的气动性能、载荷和响应。     

汽车尾迹区涡流频率特性实验分析

基于模型风洞实验台架,对汽车模型外流场尾迹区流动结构进行实验研究。采用热线风速仪,对外流场尾迹区中选定测点处的三维速度场进行采样。针对速度场的采样数据,进行功率谱密度分析,探讨了汽车尾迹区破裂涡流的频率特性及其变化规律。分析结果得出：流体微团随着流场整体运动的同时,在其运动轨迹附近进行三维脉动。     

DBN-GABP model for estimation of aircraft wake vortex parameters using Lidar data

Aircraft wake turbulence is an inherent outcome of aircraft flight,presenting a substan-tial challenge to air traffic control,aviation safety and operational efficiency.Building upon data obtained from coherent Doppler Lidar detection,and combining Dynamic Bayesian Networks(DBN)with Genetic Algorithm-optimized Backpropagation Neural Networks(GA-BPNN),this paper proposes a model for the inversion of wake vortex parameters.During the wake vortex flow field simulation analysis,the wind and turbulent environment were initially superimposed onto the simulated wake velocity field.Subsequently,Lidar-detected echoes of the velocity field are simulated to obtain a data set similar to the actual situation for model training.In the case study validation,real measured data underwent preprocessing and were then input into the established model.This allowed us to construct the wake vortex characteristic parameter inversion model.The final results demonstrated that our model achieved parameter inversion with only minor errors.In a practical example,our model in this paper significantly reduced the mean square error of the inverted velocity field when compared to the traditional algorithm.This study holds significant promise for real-time monitoring of wake vortices at airports,and is proved a crucial step in developing wake vortex interval standards.     

温度梯度环境中潜艇尾流热特征的试验研究

改进了用于实验室热尾流测量的温度测量系统,提高了系统的集成度和抗干扰能力。在水槽中实验研究了螺旋桨推进潜艇模型在有、无温度分层流体中尾流的热特征,得到两种条件下尾流的温度分布和信号衰减规律,分析了两种尾流信号的形成机理及其影响因素,表明在温度分层环境中＂冷尾流＂信号对探测和识别水下航行的潜艇更为有利,所得结果可为红外反潜和潜艇红外隐身提供更加切合实际的理论支撑。     

飞机尾涡对的三维失稳快速模拟方法

飞机尾流是制约机场飞行间隔缩短的重要因素之一,然而当前的尾流演化数值模拟和经验模型均无法兼顾尾流演化的时效性和准确性,不利于管制机场尾流间隔。考虑到飞机尾流由飞机尾涡对主导,而动力学失稳又是飞机尾涡耗散的主要机制,本文提出基于曲率修正涡丝法的飞机尾涡对失稳快速模拟方法。通过三次样条插值得到涡段中点坐标,将直涡段处理为弯曲涡段,同时考虑涡段对自身控制点的诱导作用,实现涡丝法诱导速度的曲率修正。另外,给出了涡丝法模拟飞机尾涡对周期条件的处理方法,大幅提升了涡丝法模拟飞机尾涡失稳的计算精度。数值实验结果表明,考虑曲率修正的涡丝法能够以较低的计算成本实现快速预测尾涡对长波失稳,并且失稳增长率、涡丝倾角均与理论值吻合良好。在施加不同强度的湍流扰动后,本文方法模拟得到的涡对快速耗散时间与理论值吻合较好,尤其对于中弱强度的湍流扰动,本文方法预测结果更为准确。     

舰尾流对舰载机复飞边界影响分析

通过研究舰载机在进场着舰阶段的复飞边界条件及安全影响因素,考虑引入初步的航母舰尾流场对复飞轨迹的影响,基于六自由度运动方程建立了舰载机在舰尾流环境下的复飞仿真模型。以某型飞机为例,进行了有无紊流扰动下的舰载机复飞仿真计算,并分析了舰尾流对复飞边界的影响。分析结果可为舰载机复飞边界的确定提供参考。     

类车体尾迹区流动的实验研究

对后倾角35°类车体在模型风洞中进行实验,运用三维热线风速仪在选定测点上对空间三个速度分量进行采样。对采得的瞬时值进行平均值处理,并制成相应的云图和矢量图。由图谱说明：类车体尾迹区流动具有对称特性,以一对拖曳涡为其主要特征,并明确了拖曳涡的涡核位置。