方背Ahmed模型非定常尾迹的实验研究

方背Ahmed模型是一种简化的商用车类车体模型，气流在尾部发生分离形成回流区，使背部产生负压继而带来较大的气动阻力。利用风洞实验对1/4缩比的方背Ahmed模型的非定常尾迹进行了精细测量和统计分析，实验雷诺数为9.2×104。背部压力、粒子图像测速（PIV）和热线测量结果表明方背Ahmed模型的非定常尾迹呈现出3种流动特征的相互耦合:左右涡结构不对称分布的双稳态特征、水平以及垂直方向的涡脱落和回流区的周期性抽吸。其中双稳态现象在非定常尾迹中占主导作用，表现出2种稳定状态（水平不对称）的交替出现（转换概率P_转换=0.149），且每种稳定状态可维持较长的时间尺度（平均维持时间约为6 s），其频谱特性满足-2次幂律分布；水平和垂直方向剪切层振荡引起的涡脱落频率分别为Sr_H=0.13和0.17；回流区周期性抽吸的频率为Sr_H=0.07。3种流动结构共存并相互作用，从而使方背Ahmed模型的非定常尾迹呈现复杂的三维湍流特性。     

绕水翼空化非定常动力特性的时频分析

为了解绕水翼附着空化的流体动力特性,用实验方法研究了绕水翼的空化流动现象.实验在空化水洞中完成,采用高速摄像技术观测了不同空化阶段的空穴形态.并测量了水翼所受的升阻力.利用时频分析中的Choi-Williams变换和小波变换对水翼升力信号进行了分析处理,得到了水翼升力信号在不同空化阶段的时频特征.结果表明:在不同的空化阶段,对应于各种不同的空化形态,其流体动力的频谱特性也表现了不同的特点.在没有空化产生时,水翼升力的时频无规则,升力随时间的变化不存在周期性;在片状空化阶段,升力信号变化的频率随着空化数的减小而减小;在云状空化阶段,空穴波动增强,升力信号的周期性更加显著,而此时频率基本不随时间和空化数变化.     

流向入射涡与后翼相互作用分析

涡翼互作用现象影响航空运输编队飞行的效益和配对进近的安全。采用数值模拟方法,针对无入射涡影响的后翼以及稳定状态下的入射涡位于后翼3个典型展向位置共4种情况,研究入射涡与后翼的相互作用。对比分析了基于Q准则的三维涡量、不同流向位置的涡量,以及后翼吸力面静压系数、气动参数和滚转力矩系数等。研究结果表明:稳定状态下的入射涡在后翼外侧时,翼尖涡受上洗运动影响;在内侧时,受下洗运动影响。两种情况下,翼尖涡强度均受到抑制。入射涡越靠近后翼翼尖,后翼升力系数、升阻比、滚转力矩系数越大,且在其与后翼翼尖重合时都达到最大值。这一结果可为编队飞行和配对进近的前后机布局提供参考。     

机械蝴蝶模型悬停飞行的流动显示实验

为了探索蝴蝶独特的外形及运动模式下蕴含的流动机理,与以往只考虑翅膀气动影响的拍动翼实验不同,我们开发了一种同时考虑身体及翅膀的机械系统用以模拟蝴蝶的悬停飞行,并采用染色液流动显示的方法对升力的主要来源--前缘涡进行了细致的观测.结果显示,在蝴蝶飞行的上下拍动过程中均有前缘涡产生,且不是以往观测到的螺旋或锥状结构,而是近似等直径的柱状联通形式,其明显特征为:在拍动加速阶段存在明显的展向流动,而在减速阶段则会出现破裂;另外,蝴蝶看似杂乱无章的运动实际上是一种自适应控制的结果,有助于提高升力.     

基于嵌套网格和计入尾迹影响的旋翼流场数值模拟

给出了三维Euler方程数值模拟悬停状态旋翼流场的方法和模型。为充分考虑旋翼尾迹对流场的影响,采用了由动量理论导出的远场边界条件和由尾迹诱导速度代入滑移条件而构造的新翼面边界条件。为减少尾迹数值耗散和便于添加上述边界条件,采用了嵌套网格方法。针对嵌套网格中关键的贡献单元搜寻问题,本文采用一种伪贡献单元搜寻法。应用上述方法进行了算例计算,给出了有无尾迹修正时的旋翼桨叶表面压力分布和沿展向升力分布的计算结果,并与可得到的实验数据进行了对比。此外,从计算的等涡量线图上分析了旋翼尾迹流场畸变的发展趋势,表明了Euler方程法在旋翼涡尾迹捕捉方面的能力。     

突扩燃烧室水流试验研究

对两种类型3种结构的突扩燃烧室分别进行了可视化水流模拟试验.试验结果表明,在剪切层中出现明显的旋涡结构,旋涡的产生、发展、脱落、破碎影响着燃烧室的流动状态;中心突扩燃烧室的流动状态与突扩比密切相关;在两侧突扩燃烧室中,由于两股流体的冲撞作用,导致流体周期性摆动,并在两侧卷起相对有规律的涡对,流动具有明显的低频振荡特征.     

细长旋成体大迎角绕流非定常特性的实验研究

在亚临界流动范围内,通过细长旋成体在无侧滑状态下的脉动压力测量,对大迎角细长旋成体多涡区域的轴向以及周向的压力脉动特性进行了研究,分析了旋成体周向压力脉动幅度及主频与背涡之间的对应关系,发现在多涡区存在一种完全不同于卡门涡脱落时的非定常现象,得到压力脉动主频的斯特劳哈数沿旋成体轴向有逐渐增大的趋势。     

旋翼翼型动态失速等离子体流动控制试验研究

翼型动态失速是指机翼或叶片的当地迎角呈现周期或急剧变化时绕流附面层大范围分离带来的一种强烈的非线性、非定常流动现象。动态失速涡脱离翼型后缘流向下游时,会引发升力急剧下降、阻力迅速增大的失速和颤振问题。基于旋翼翼型两自由度动态试验装置和高频高速振荡试验装置,以典型旋翼翼型为研究对象,利用纳秒脉冲激励电源和介质阻挡放电等离子体激励器,在FL-11风洞和FL-20风洞开展了翼型动态失速等离子体流动控制试验研究,试验最高雷诺数突破1.7×10⁶,模型最高振荡频率突破10 Hz。试验结果表明,等离子体气动激励能够有效控制翼型动态失速,改善平均气动力,减小俯仰力矩负峰值,减小气动力/力矩随迎角变化的迟滞区域。     

微型扑翼飞行器的改进非定常涡格法

为在保证较高计算精度的前提下高效地进行扑翼飞行器(MAV)气动特性计算,提出了一种MAV非定常涡格法(UVLM)的改进算法.在算法中充分考虑翼面瞬时形变及诱导阻力等对MAV流场及气动力的影响,并在其尾涡模型中增加对尾迹涡环畸变及粘性耗散等的建模,使算法模型能更好地反映MAV的翼面气动状态.编程实现并通过实例验证了算法的有效性和快速性;为将UVLM引入MAV优化迭代,还研究了尾涡剔除对算法效率及精度的影响,结果表明在算法模型中剔除MAV尾部一定距离处的尾涡后,可在保证算法精度的前提下大幅减少运行时间,表明该算法在MAV结构优化中存在一定的潜力.     

绕平头回转体非定常空化流体动力特性研究

采用高速全流场显示技术和动态应变式测力系统实验研究了绕平头回转体的非定常空化流动及其动力特性。实验在闭式水洞中进行,采用高速摄影的方法观察了在不同空化数下绕平头回转体的空穴形态,应用自编软件对图像进行处理获得了空穴尺度随时间的变化,测量了所受到阻力,并对空穴尺度和阻力信号的时域与频域进行了分析,得到了平头回转体阻力在非定常空化阶段的时频特征。结果表明:在各个空化阶段,空穴尺度及其对应的动力特征均呈现明显的非定常特性。在空化数较大时(σ=1.05～1.20),仅在回转体头部后端区域存在不稳定的空泡脉动区域,此时,由阻力系数得到的时频信号呈无规则的波动;当空化数降至0.75以下时,出现了大尺度空穴断裂与空泡团脱落现象,捕捉到了绕平头回转体空泡的非定常周期性脱落过程和典型特征频率。绕回转体阻力系数曲线随着空化数的减小波动幅度不断加大,并且空穴尺度和平头回转体所受阻力主频随之发生改变,特征频率逐渐显现,并且形态特征频率与动力特征频率存在高度的相关性。     

雷诺数对圆柱气动力和流场影响的试验研究

通过刚性模型测压风洞试验，研究了圆柱的气动阻力、气动升力系数和风压系数随雷诺数的变化规律，从流场分布的角度分析了气动力变化的原因，并研究了雷诺数影响下的流场在圆柱轴向的相关性。结果表明:在亚临界雷诺数区域，在时间平均上流场沿模型两侧呈对称分布，雷诺数对平均阻力系数和流场影响较小，平均升力系数基本为零。在临界雷诺数区域，随着特定区域大负压区的出现，流场不再对称，出现不容忽视的平均升力和脉动升力。在超临界雷诺数区域，随着对称侧大负压区的出现，流场恢复对称状态，平均升力基本消失。雷诺数对流场的轴向相关性有显著的影响。在雷诺数较低时（亚临界区域），卡门涡在轴向上的尺度相对较大，而随着雷诺数的提高，该尺度逐渐减小，各断面流场的相关性降低。     

端部状态对斜置圆柱气动力分布的影响

在有限长度圆柱气动力测试风洞试验中，端部状态的变化对气动力有很大影响。在雷诺数为6.43×104时，通过刚性模型风洞测压试验对3种端部状态下的斜置圆柱气动力特性进行研究，基于平均风压系数沿斜置圆柱的轴向和周向分布规律，分析端部状态对斜置圆柱气动力测试结果的影响。结果表明:斜置圆柱表面风压沿轴向可分为近上游端部区、中间区和近下游端部区；由于马蹄涡的存在，在近上游端部区的背风面，风压沿轴向有一个突变，端部状态对马蹄涡强度有很大影响；在中间区，背风面风压沿轴向出现交替变化，可能是由于在近上游端部区形成的旋涡受到轴向流作用向中间区流动导致的，端部状态对交替风压变化的幅度和阻力系数有很大影响；当下游端部封闭时，近下游端部区的迎风面和背风面风压都会出现突变，且迎风面的突变幅度更大，下游端板对近下游端部区迎风面的风压分布影响更大。     

双圆柱斜向排列时旋涡脱落频率的实验研究

本研究用热线风速仪测量了斜向排列双圆柱的尾迹,并分析了尾迹中某些特征点上的速度频谱,从旋涡脱落频率的规律来研究双圆柱绕流相互之间的干扰。当两圆柱间距较远时,速度振荡的频率与单圆柱卡门涡街的频率相接近,随着两圆柱间距的接近,前、后圆柱各有其不同的旋涡脱落频率,且都不同于单圆柱旋涡脱落的频率。特别是当两圆柱处于某一相对位置时,出现双峰值的功率谱,其中一个峰值的频率大大地高于另一个峰值对应的频率,而且这两个峰值谁主谁副是不确定的,呈现出不稳定流动的特性。     

航天飞机在再入段的亚音速空气动力特性的一种有效算法

本文采用吸力比拟原理,结合基本解的数值计算方法,用来计算航天飞机机翼从小迎角到大迎角(a=0°～30°)的亚音速纵向气动特性;而对零升阻力和机身气动特性,则用工程估算方法计算。由于目前的航天飞机,一般为下单翼的复杂外形翼-身组合体,根据文[9]的原理,可忽略翼-身干扰对纵向气动特性的影响。 本文导得可以计及涡效应的任意平面形状边条机翼的亚音速气动特性的计算公式,亦可计算尖梢机翼的展向升力分布。公式中所需的位流系数可采用涡格面元法进行数值计算来获得,压缩性效应则通过位流系数来计及。 本文计算了多种机翼和航天飞机的气动特性。与实验数据比较表明,本方法具有方法简便、计算快速和计算结果具有设计精度的优点,是计算航天飞机亚音速气动特性的一种有效方法。可供航天飞机初步设计使用,亦可作为航天飞机气动优化设计系统中的子系统。经过适当推导,本方法可推广应用于亚音速前缘的超音速情况。     

带不同形状翼尖帆片的机翼地面效应实验研究

翼尖帆片将原型机翼集中的翼尖涡分散成多个小涡，加快翼尖涡的耗散，从而降低机翼诱导阻力。为进一步了解翼尖帆片对机翼在地面效应下流动特性的影响，分别对安装有3片椭圆形和梯形帆片的NACA4412机翼开展了风洞实验研究。测量了2种帆片机翼的气动力和翼尖涡结构，并通过比较流动结构，分析了2种机翼气动力产生差异的原因。机翼的升、阻力用六分量盒式风洞天平测量，翼尖涡速度分布用七孔探针扫描获得，以机翼弦线为特征长度的雷诺数为1.5×105。当远离地面时，梯形帆片与椭圆帆片的升、阻力差别较小，但随着机翼逐渐接近地面，梯形帆片的增升减阻效率逐渐高于椭圆帆片。而机翼升阻力的差异，主要是由于局部气流方向角对各帆片形成的有效迎角有所差别，使得帆片对主翼产生不同的增升和减阻贡献。     

带边条后掠翼融合体隐身布局的应用研究

应用棱边边条和小展弦比大后抗角机翼融合设计，使边条涡稳定机头的脱体涡改善机翼根部流场；同时合理配置前翼，使鸭翼产生的涡流流经机翼时，加强了机翼上表面的主体涡流强度，推迟了机翼表面流态分离，提高了机翼的非线性升力。特别在大攻角时，边条涡处在机翼上表面与鸭翼自由涡和机翼主体涡相干涉，形成了三涡一体的非线性升力，极大地改善了全机的流动特性。经实验证明，该布局提供的方案，具有与同类普通布局为高的升力线斜率、高升阻比、大失速攻角及良好的纵横向和侧向静安定性等优点，同时通过电磁模型在微波暗室中测试，在迎头和侧向的ＲＣＳ值（雷达反射截面）均有明显的下降。     

端部条件和展弦比对矩形断面节段模型气动力特征的影响

端部条件和展弦比是风洞试验节段模型设计的2个重要因素。为了研究端部条件和展弦比对节段模型气动力特征的影响，开展了不同端部条件和不同展弦比的宽高比5:1矩形断面刚性节段模型静态测压风洞试验。研究结果表明:(1)端部条件和展弦比共同影响着节段模型上流场展向分布。(2)当模型长度大于2倍端部影响区间的长度时，模型上气动力在展向呈现等腰梯形分布；当模型长度小于2倍端部影响区间的长度时，模型上气动力在展向呈现等腰三角形分布。节段模型设计时应重视模型展弦比，合适的展弦比能获得更可靠的结果。     

计及分离的机翼低速气动特性的一种近似计算方法

本文介绍一种计算带分离的大中层弦比、小后掠角机翼低速气动特性的近似方法。根据给定机翼的平面形状和几何迎角,按线化升力面理论算出升力和力矩沿展向分布的第一次近似值。再逆向应用升力面理论估算下洗流场,从而近似地得到各个削面的有效迎角。然后根据有效迎角及雷诺数,从翼型实验数据得到相应的升力和力矩分布的第二次近似值。如此反复迭代直至收敛为止。