仿生覆羽控制固定翼无人机流动失速风洞实验

研究了基于鸟类仿生学设计的人工柔性锯齿形覆羽在平直机翼大攻角失速流动控制中的作用。实验在天津大学低速回流式低湍流度风洞中进行，以展长1.0 m、弦长300 mm的NACA0018平直机翼模型在15°攻角条件下产生的失速流动作为研究对象，基于弦长的雷诺数为Re=5.1×10⁵。实验中，将柔性覆羽沿展向分别安装在机翼上翼面的不同位置处，利用单丝热线风速仪扫掠测量机翼尾流的速度信号，并与无控制工况的平均速度、脉动速度、功率谱密度等对比。实验结果显示：在20%c位置工况中，柔性覆羽装置吸收来流中的能量，随上翼面流动自适应振动；在80%c位置工况中，柔性覆羽处于准平衡位置，并伴随微小振动。两种工况的尾流区平均速度亏损恢复明显，同时前缘剪切层和尾缘剪切层中的湍流脉动均明显降低，两种工况均实现了流动失速的有效控制。进一步的功率谱密度和离散小波分析显示，柔性覆羽的自适应振动能有效地抑制剪切层中低频、大尺度结构(fc/U_∞<1)，并将其转化为高频、小尺度结构(fc/U_∞≈3)，增强了前缘剪切层和尾缘剪切层的相干性。该研究结论揭示了类...     

趋于临界马赫数的圆柱跨声速绕流特性分析

通过深化认识趋于临界马赫数Ma_cr的圆柱跨声速绕流特性,明确新型飞行器增升减阻设计的空气动力学理论依据。采用大涡模拟方法数值研究了来流马赫数Ma_∞为0.75和0.85、雷诺数Re为2×10⁵的圆柱跨声速绕流。结果表明:当Ma_∞趋于临界马赫数(Ma_cr≈0.9)时,圆柱的阻力下降且升力系数振荡被抑制;通过力的分解,得知圆柱的阻力减小来自旋涡力的影响,而非可压缩性;圆柱的阻力减小与其背压上升有关;剪切层初始阶段的对流马赫数Ma_c随Ma_∞的增加而增大,而增长率相反,这使得剪切层更为稳定、柱体背压更高。此外,由于Ma_∞=0.85时边界层分离点处的激波和尾迹处的激波向下游推移,使得近尾迹处的湍流脉动减弱,进而导致柱体的表面压力振荡和升力系数振荡被抑制。     

超声速空腔流动数值模拟研究

采用Roe格式、S-A一方程湍流模型和LU-SGS隐式算法对三个不同类型的空腔进行了模拟,并把数值计算结果和试验结果进行了比较,二者一致.通过对流过不同L/D空腔的可压缩流动进行模拟,得到了不同L/D空腔的底部压力分布、空腔内流线、等压线和等马赫数云图,分析了空腔流动类型随L/D增大转变的机理.     

后缘修型对空腔流场特性影响分析

本文以风洞试验为手段,在高速风洞中对空腔流场特性进行了较为深入的研究,通过对空腔底部静态压力以及脉动压力的测量,分析后缘修型对腔底流场特性的影响。研究结果表明,后缘修型对空腔流场特性影响随修型半径增大而增强;当空腔流场类型为开式穴流动、过渡式穴流动和闭式穴流动,后缘修型对腔内静态压力分布的影响不大,而当空腔流场为过渡—开式穴流动时,后缘修型可能使空腔的流场类型发生转变并使静态压力梯度明显增大;研究结果还表明,后缘修型能有效降低腔内的噪声强度,但对空腔能量尖峰的抑制效果会因试验条件的改变而产生差异。     

基于合成射流的二维后台阶分离流主动控制

作为一种新的流动控制激励器,合成射流技术在流动分离控制、降低压力脉动和抑制噪声等方面具有广阔的应用前景。实验利用合成射流主动控制技术对二维后台阶湍流分离再附流动控制进行了研究,应用表面测压、粒子图像测速(PIV)和热线等多种实验测试技术对后台阶表面压力分布、流场结构以及剪切层特性进行了测试。结果表明,在台阶前缘施加合成射流可有效减小回流区范围和降低再附长度,当合成射流的动量系数为0.301×10^-3时,可使再附点长度减小25%。合成射流控制使得沿台阶下游的湍动能和雷诺应力增强,提高了台阶下游流场的混合效率。热线动态结果表明频率是后台阶分离流动控制的关键参数,当频率为260 Hz、激励频率与剪切层涡脱落频率之比为1.32、激励频率等同于旋涡脱落频率时,合成射流控制效果最好,仅需消耗较小的能量即可实现流动控制的目的。     

数值模拟有外挂物的空腔流动

数值模拟了有外挂物存在的开式空腔的超音速流动。数值计算采用全隐式无分裂方法,湍流模型采用修正的B-L代数模型。研究了有外挂物存在的空腔流动的剪切层自持性振荡,并与无外挂物存在时的现象进行类比。压强与时间的变化曲线、空腔底部流向的静压系数分布以及空腔后壁面法向的静压系数分布表明,空腔内的压力脉动与外挂物所处位置是有关的。对于Rossiter振荡模态,数值计算结果能够与实验结果相吻合。     

来流边界层厚度对开式空腔气动声学特性的影响分析

分析了不同来流边界层厚度与空腔深度比(δ/D)对长深比(L/D)为8的开式空腔内不同测点的声压级分布和声压频谱特性的影响。试验马赫数是0.6和1.5,相应的Re为1.23×107和2.26×107(基于每米)。结果表明,δ/D减小,导致开式空腔内不同测点声压级均有不同程度的增大;导致空腔上方剪切层与腔内流动或腔后壁相互作用能量增加,引起腔内同一测点不同离散频率对应的声压级增大。可见,δ/D减小,腔内流动自激振荡更易引起空腔自身结构和腔内储藏物结构振动和疲劳破坏。     

后向台阶层流分离湍流结构的实验研究

实验研究是应用 LDV及氢泡显示技术在水流中进行的。得到了剪切层厚度、涡量厚度、拟序结构以及再附后壁面切应力、边界层形状因子等的变化规律。对流动再附后壁面附近带条结构进行了详细分析。结果表明在流动再附后 2 0倍台阶高度处形成湍流边界层     

长深比对空腔流动与声学特性的影响分析

长深比(L/D)是影响空腔流动的最重要外形参数。为了对空腔的流动机理有更深入的认识,采用基于Realizable k-ε湍流模型的脱体涡模拟(DES)数值方法,研究空腔L/D的变化对空腔流动与声学特性的影响。选取的来流马赫数为0.85,基于空腔长度的雷诺数为6.84×106。结果表明:随着L/D的增加,空腔前部的压强系数逐渐降低,后部的压强系数逐渐升高,导致空腔内的静压梯度逐渐增大;整个空腔内的压强脉动强度减弱,噪声环境有所改善。研究结果可为空腔流动类型的划分提供一定的依据。     

超声速膨胀角入射激波/湍流边界层干扰直接数值模拟

为了揭示膨胀效应对激波/湍流边界层干扰区内复杂流动现象的影响规律,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10°膨胀角湍流边界层相互作用问题进行了数值研究。系统地探讨了激波入射点分别位于膨胀角上游、膨胀角角点和膨胀角下游3种工况下膨胀角干扰区内若干基本流动现象,如分离泡、物面压力脉动及激波非定常运动、湍流边界层统计特性和相干结构动力学过程等。结果表明,激波入射点流向位置改变对分离区流向和法向尺度的影响显著,尤其是当激波入射点位于角点及其下游区域。研究发现,膨胀角干扰区内物面压力脉动强度急剧减小,分离区内压力波向下游传播速度将降低而在膨胀区内将升高,膨胀效应极大地抑制了分离激波的低频振荡运动。相较于入射激波与平板湍流边界层干扰,入射激波流向位置改变对膨胀角再附区速度剖面对数区及尾迹区影响显著,将导致其内层结构参数升高而外层降低,近壁区内将呈现远离一组元湍流状态的趋势。此外,流向速度脉动场本征正交分解分析指出,主模态空间结构集中在分离激波及剪切层根部附近而高阶模态以边界层内小尺度正负交替脉动结构为主。低阶重构流场结果表明,前者对应为分离泡低频膨胀/收缩过程而后者表征为分离泡高频脉动。     

凹腔前缘角对超声速燃烧室性能的影响

针对带有不同前缘角的凹腔内流动和燃烧过程,分别在冷态和燃烧条件下探讨了前缘角对凹腔内流动损失及阻力特性的影响.研究表明:在壁面垂直喷射的喷口上游和凹腔内部均会形成低速、高温回流区,有利于点火及火焰稳定,燃烧反压通过边界层的亚声速区域上传,形成激波/边界层干扰结构.减小前缘角,可使剪切层分离位置提前,更偏向凹腔内部,导致凹腔后壁面再附激波增强,进而增大了总压损失,降低了总压恢复系数;亦可导致凹腔前、后壁面压差阻力增大,阻力系数上升.进一步认识了凹腔内部流场及稳焰增混机理,进而为优化凹腔结构设计提供依据.      

Reynolds number effect on compressible cylindrical cavity flow

Presence of a cavity changes the mean and fluctuating pressure distributions inside and near the cavity. For cylindrical cavity flow, the diameter-to-depth ratio is the dominant factor. In this study, flow is naturally developed along a flat plate with two different lengths, resulting in different incoming boundary layer thicknesses ahead of the cavity. The effect of Reynolds number based on incoming boundary layer thickness on characteristics of mean and fluctuating pressure distributions is addressed. Pressure sensitive paint was also used to visualize the mean surface pressure patterns. The effect of Reynolds number on the classification of compressible cylindrical cavity flow and self-sustained oscillating frequency is not significant. An increase in Reynolds number results in a reduction in the value of differential pressure or momentum flux near the rear edge.     

壁面温度控制对平板边界层影响的数值研究

通过对零压力梯度的平板边界层流动施加温度控制,展开壁面温度控制对平板层流边界层和湍流边界层影响的研究,探索温度控制对平板转捩雷诺数和壁面摩擦阻力的影响规律。采用带有转捩模式的三方程湍流模型对平板边界层流动进行数值模拟,重点考察了壁面摩阻系数、平板转捩雷诺数、湍流边界层流动随壁面温度变化的规律。计算结果表明在壁面温度从288 K 增大到432 K 时,边界层转捩雷诺数增大约36%,表面摩擦阻力减少约9.6%。研究分析表明：加热控制使层流区域温度边界层内粘性作用增强,雷诺切应力和湍动能减小,流动更加稳定;而湍流区域边界层内粘性底层中速度梯度和粘性切应力减小,导致壁面处摩擦切应力减小。因此壁面加热控制可以延迟边界层转捩,减小湍流区摩阻系数,并减小平板摩擦阻力。     

中心进气转静盘腔一维流动模型的改进

采用数值模拟方法,对动盘面边界层夹带流量进行分析,以改进转静盘腔一维流动模型的计算精度.结果表明:边界层速度分布的1/7幂律假设低估了自由盘边界层夹带流量,从而影响了一维流动模型对源区边界的计算精度;传统的关联式未能有效地归纳不同工况下转静盘腔内动盘面边界层夹带流量,从而影响了一维流动模型对核心区气体转速的计算.通过归纳数值模拟结果中的自由盘和转静盘腔内动盘面边界层夹带流量,对传统一维流动模型中源区边界及核心区气体转速的计算提出修正,并对修正后的一维流动模型进行实验验证,表明该修正明显改进了一维模型对腔内径向压差的计算精度.      

无源腔结构对大膨胀比单膨胀斜面喷管的影响

开展了基于无源腔的单膨胀斜面喷管(SERN)流动控制方法研究,采用标准k-ε两方程湍流模型,通过求解Reynolds平均Navier-Stokes方程,数值研究了过膨胀状态下无源腔结构对SERN内部流场和性能的影响.计算结果表明:与原型SERN相比,落压比为8时,无源腔结构的存在促进SERN上膨胀斜面流动的分离,改变SERN内部流场结构,影响SERN上膨胀斜面压力分布,从而使SERN的轴向推力系数提高1.75%,同时不会带来低头力矩的恶化.在落压比为3~13范围内,无源腔结构的存在促进了无源腔附近附面层流动分离,减少了SERN内激波串数目,并使SERN上膨胀斜面压力峰值增加,提高SERN轴向推力系数.      

前缘直板扰流对高速空腔的降噪效果分析

高速空腔复杂流动和噪声一直是航空航天领域所关注的问题,高强度的空腔噪声不仅影响腔内仪器设备的正常运行,还会对其自身的结构产生疲劳破坏,进而影响飞行器的飞行安全和品质,因此空腔噪声的抑制研究和典型控制方法的降噪效果分析对提高飞行器结构安全性意义重大。本文通过开展高速风洞试验研究跨超声速（Ma=0.9和Ma=1.5）来流条件下前缘直板装置对空腔（长深比为6）流动和噪声的控制机理,通过对比多种前缘直板控制条件下的腔内噪声声压级（SPL）分布,确定直板控制参数的优化选择方法及最优参数;利用静态/动态压力传感器和油流试验采集腔内静压、脉动压力和壁面流谱,着重分析前缘直板对腔内流动结构、声压级和声压频谱的影响规律。结果表明：前缘直板可以大幅度抬高剪切层的位置,使得后缘的撞击区域后移,从而削弱流体进入腔内的流量和强度;可以有效降低腔内静压、减小回流强度和范围,对腔内声压级和峰值噪声也具有显著的抑制效果,Ma=0.9和Ma=1.5时后缘声压级降低幅值可达11.13 dB和8.0 dB。前缘直板流动控制为高速来流条件下空腔噪声的抑制提供了一种新的方法,可有效应用于飞行器上空腔结构的流动/噪声控制,具有重要的工程应用价值和前景。     

内埋式弹舱流场特性及武器分离特性改进措施

为改善内埋弹舱的流场特性以及内埋武器分离特性,采用在弹舱前缘悬细金属条的方法对弹舱流场进行流动控制,并在高速风洞中进行了试验研究。通过分析舱底静态压力试验结果以及脉动压力试验结果,研究了武器模型处于不同分离位置时流动控制对弹舱流场特性的影响;通过测量武器模型力和力矩,研究了流动控制对武器分离特性的影响。研究结果表明：武器模型处于不同分离位置时,该流动控制方法对弹舱底部静态压力分布以及总声压级分布的影响是相似的;当弹舱的流场类型为过渡／闭式穴流动时,采用该流动控制措施能有效降低舱内的静态压力梯度,并能有效改善武器的分离特性;当弹舱的流场类型为开式穴流动时,采用该流动控制措施能有效抑制舱内产生的气动噪声。