高速高雷诺数风洞颤振试验新技术

ＦＬ－２风洞在国内首次进行了飞机型号的跨音速风洞颤振试验。本文详细叙述了包括模型的设计、风洞的进行、模型亚临界响应的测量与数据处理等试验各技术环节的特点以及其中的技术难点和技术创新点。ＦＬ－２风洞的跨音速风洞颤振试验填补了国内大尺寸跨音速风洞颤振试验的空白,对我国航天航天的重点型号研制具有重要意义。     

亚跨风洞中舵面亚临界颤振试验

设计了舵面颤振试验装置,在亚跨超风洞中对展弦比2．0的NACA0012矩形舵面开展了颤振试验研究。试验马赫数范围为0．3～0．75。试验采用直接观测法获得舵面在不同质量特性条件下的亚声速和接近跨声速的颤振特性。同时还采用亚临界数据分析方法对试验的扭转应变信号进行了离线分析,即通过采用ARMA方法识别扭转应变信号的阻尼和频率,并通过阻尼外插得到颤振临界动压值。研究结果表明：该试验装置可以用于在现有亚跨超风洞中开展舵面颤振问题研究。当采集的亚临界信号为典型指数衰减信号时,以ARMA方法为基础的亚临界颤振试验技术可以稳定地识别出信号阻尼和频率,并较为准确地获得舵面的颤振临界动压、颤振频率等颤振参数。     

基于随机森林的风洞马赫数预测模型

在风洞试验中,马赫数的稳定性和快速性对风洞流场品质有着重要影响。为了实现马赫数的精确控制,必须对马赫数进行快速、准确的预测。风洞试验积累了大量数据,大数据集包含了更多的有益信息,为实现马赫数的精确预测提拱了可能性,但也增加了建模的复杂度。通常高度复杂的模型会加重其在实际使用时的计算负担。针对大数据集问题,本文将随机森林方法应用于风洞马赫数建模。随机森林是一种集成模型建模方法,它从3方面降低模型的复杂度:产生多个样本子集,减少了子模型的训练样本个数;具有并行集成结构,子模型可在不同的CPU上运行,提高了运行速度;以简单学习算法回归树作为基学习机,降低了子模型的复杂度。试验证明基于随机森林的马赫数预测模型能够有效利用试验积累的大数据,满足工程上预测速度及精度的要求。     

低速全模颤振试验悬挂支撑系统

为适应日益增多的低速风洞全模颤振试验的需要,发展颤振试验技术,在气动中心低速所3．2m 风洞建立了一套通用的悬挂支撑系统。该悬挂系统分为垂直和水平两部分,水平悬挂系统由水平钢索装置和张紧机构组成。系统可提供模型沉浮、俯仰、横侧向、偏航和滚转5个方向的自由度;可单独改变模型某一方向的自由度而不影响其它方向的自由度;可确保模型上下、左右、前后位置都处于试验段正中心;可方便地调整模型的迎角和滚转角。对采用该悬挂系统的颤振模型,文中提供了技术要求和参数选择方法。采用同一颤振模型在3．2m 风洞与TsAGI的T-103风洞进行了对比试验,得到的颤振临界速度、频率基本一致,证明该套悬挂系统设计合理,可以应用于低速全模颤振试验。     

带有气动及结构非线性的二元机翼颤振分析

研究了翼型在低马赫数条件下的非定常气动特性,从翼型表面气流运动的角度对Leishman-Beddoes(L-B)模型进行了修正,并在此基础上建立了适合低马赫数颤振研究且带有气动及结构非线性的二元机翼气弹系统分析模型.对比低马赫数翼型气动载荷试验结果表明对L-B模型的修正是有效的,且机翼颤振试验结果亦验证了二元机翼气弹分析模型.研究结果表明:二元机翼气弹系统的失速颤振与初始变距角和来流速度密切相关,且耦合的三次非线性变距和浮沉刚度是造成系统呈现准周期运动的主要原因.      

型面旋转变马赫数风洞喷管的优化设计

型面旋转的变马赫数可调风洞喷管因其能够实现出口马赫数的连续快速变化、调节容易和流场品质较好等优点,成为目前地面变马赫数风洞研究的热点。将出口马赫数范围为2.0~4.0的变马赫数风洞喷管作为研究对象,基于iSIGHT和Fluent等软件搭建了适于该风洞喷管的优化设计平台,研究了型线设计中设计点马赫数、初始膨胀线和附面层修正量等因素对变马赫数出口流场的影响,应用NSGAⅡ算法在依据试验设计点所构建的Kriging近似模型上搜索,得到最优的风洞喷管基准型线,并对该基准型线进行二维、三维数值仿真校核,结果显示：通过旋转优选得到的基准型线能够得到马赫数范围为2.0~4.0的变马赫数出口流场,且流场均匀性基本满足固定型面、单设计点风洞喷管的国军标（GJB-1179-91）合格指标,为变马赫数可调风洞喷管在变马赫数风洞中的实际应用奠定了良好的基础。     

跨声速风洞全模颤振试验技术

介绍了跨声速全模颤振试验的发展现状和存在的问题。探讨了全模颤振试验对风洞和支撑系统等试验设备的要求。对于风洞,主要从风洞洞体和流场等方面分析了进行颤振试验所需要具备的性能,并以中国空气动力研究与发展中心的2.4m跨声速风洞为例,介绍了进行颤振试验必须要采取的控制措施。对于支撑系统,则从模型运动自由度、支撑系统稳定性和支撑系统频率等方面的要求,阐述了设计支撑系统的困难,并简要分析了目前国内外发展的多种全模颤振支撑系统的结构原理及其优缺点。然后介绍了系统安全的保证措施,包括支撑系统稳定性分析、风洞紧急停车控制系统和模型保护装置等。最后根据飞行器发展的需求,探讨了今后需要完善和发展的几个主要问题。     

风力机叶片气动弹性实验研究

风力机叶片在风洞中作气动弹性实验的模拟方法、简化原理、模型设计原理和数据处理等有关问题及其弯曲／摆振颤振模型的地面实验和风洞吹风实验结果，文中都进行了讨论，根据模型实验的频谱和时域图，分析模型可能发生颤振的速度，用“频率重合理论”确定了模型的颤振点以及发生颤振时的颤振速度和颤振频率。     

飞机全动平尾颤振特性风洞试验

高机动飞机全动平尾颤振设计的重要手段就是颤振模型风洞试验。针对一个飞机的全动平尾,采用了单独平尾和中央固支的后机身-平尾组合体两种方案的低速颤振风洞试验,研究平尾的基本颤振耦合机理以及后机身垂尾气动力干扰的影响。然后采用半模跨声速颤振风洞试验研究马赫数对颤振特性的影响和机翼干扰对平尾颤振边界的影响。介绍了低、高速颤振模型的设计和风洞试验的结果,并综合形成了完整的平尾颤振特性规律,尤其在跨声速颤振风洞试验中,使用不同超重系数的颤振模型,研究了质量参数对颤振边界的影响规律。风洞试验结果显示,全动平尾颤振特性研究必须考虑后机身的弹性支持,并且需要使用不同的模型方案考虑机身、机翼和垂尾的气动力干扰,跨声速风洞模型需要考虑超重系数的影响。该研究获得了全动平尾颤振特性的一般规律,可作为相关飞行器设计的参考。     

低温风洞运行压比相关性研究及应用

低温风洞流场参数快速精确控制需要建立驱动风扇功率与马赫数、雷诺数、压力和温度等运行参数间准确动态传递模型.以0.3?m低温风洞初步运行压比和状态参数测试数据为对象,归纳分析发现风洞运行压比与试验马赫数平方成近似线性关系,且相同马赫数下测试数据点分布与雷诺数成有序关系,基于该特性成功构造马赫数和雷诺数组合幂函数,并建立风洞运行压比与组合幂函数的线性关联式.结果表明在马赫数小于1.0和宽广雷诺数变化范围下该动态模型与测试数据具有良好的一致性.同时,利用空气动力学方程式也推导验证了该动态模型的理论正确性.该动态模型的建立使得风洞运行液氮需求和压缩机功率以相对简单的方式与试验状态相关联,将其应用于风洞前馈控制,必将简化风洞控制流程,缩短每个数据点的稳定时间,节约液氮消耗量.     

低温风洞运行压比相关性研究及应用

低温风洞流场参数快速精确控制需要建立驱动风扇功率与马赫数、雷诺数、压力和温度等运行参数间准确动态传递模型.以0.3?m低温风洞初步运行压比和状态参数测试数据为对象,归纳分析发现风洞运行压比与试验马赫数平方成近似线性关系,且相同马赫数下测试数据点分布与雷诺数成有序关系,基于该特性成功构造马赫数和雷诺数组合幂函数,并建立风洞运行压比与组合幂函数的线性关联式.结果表明在马赫数小于1.0和宽广雷诺数变化范围下该动态模型与测试数据具有良好的一致性.同时,利用空气动力学方程式也推导验证了该动态模型的理论正确性.该动态模型的建立使得风洞运行液氮需求和压缩机功率以相对简单的方式与试验状态相关联,将其应用于风洞前馈控制,必将简化风洞控制流程,缩短每个数据点的稳定时间,节约液氮消耗量.     

用随机衰减法分析一个机翼模型的颤振亚临界响应

本文简述了研究颤振亚临界实验技术的意义及随机衰减法的发展概况,叙述了一个机翼模型的风洞实验和分析情况。结果表明,以随机衰减法为主,功率谱法为辅的颤振亚临界响应分析方法是成功的,可在风洞模型颤振实验中使用。     

马赫数2～4连续可调风洞数值模拟及静态标定试验

型面旋转连续可调风洞可以获得出口马赫数连续变化的出口流场,其结构简单、易于调节、响应迅速,成为目前国内外的研究热点,具有很好的发展前景。本文针对某优化设计的出口马赫数2~4的变马赫数风洞喷管,进行了全流场三维数值仿真校核,并进行了风洞流场静态标定试验,获得了该连续可调风洞在不同马赫数下的流场品质及流场均匀区大小。结果显示:该连续可调风洞在马赫数2~4下的出口流场均匀性良好,流场品质满足固定几何风洞流场的国军标要求;试验得到的不同马赫数工况下均匀区大小均大于理想菱形区的2/3,均匀区马赫数标准差在马赫数2~3工况下小于0.01,在马赫数3.5工况下为0.013 6,说明该连续可调风洞可以实现马赫数的连续变化,且具有良好的流场品质,可用于后续的风洞试验。     

气动弹性系统的阵风减缓与颤振主动抑制

针对Ｊ８飞机模型，研究了阵风减缓与颤振主动抑制的综合控制问题，应用现代控制理论设计控制系统，分别对机翼／外挂系统模型作开环和闭环分析。由数字式控制实现了阵风减缓与颤振主动抑制的风洞实验，风洞实验结果表明：设计控制律具有抑制颤振和减缓阵风响应的双重功能。     

机翼/外挂系统的颤振主动抑制研究

 本文对颤振主动抑制控制律进行了研究。研究对象为一小展弦比带外侧导弹的机翼颤振模型,模型具有外侧后缘控制面。依据该模型的全部动力特性和刚度特性,以最优控制为基础,采用动态补偿器方法,设计了两阶控制律。对该控制律进行了风洞实验验证。实验结果表明:颤振临界速度提高了14％以上。理论计算结果与实验结果一致。     

带舵面垂尾跨声速颤振计算研究

基于自研软件平台UNSMB,采用CFD/CSD耦合的颤振时域分析方法,对某带舵面垂尾的风洞模型进行了跨声速颤振特性分析。研究了洞壁对颤振边界的影响,通过改变网格大小,设置不同的边界条件,对洞壁的模拟方法进行了对比研究,最终获得了与试验数据吻合很好的结果,表明洞壁对模型的颤振边界存在较大影响,同时表明UNSMB平台的跨声速颤振计算具有较高的精度。     

Φ3m高温风洞流场性能校准

中国空气动力研究与发展中心Φ3 m高温风洞是新建成的3米量级暂冲型、自由射流式高温风洞，采用空气/液氧/异丁烷三组元燃烧加热产生高压高温高速气体和真空抽吸联合运行。为评估该高温风洞流场性能，开展了风洞调试和流场校测试验。试验结果表明：风洞可模拟马赫数4～7、高度17～30 km飞行条件下的马赫数、动压、总焓、氧组分、时间等参数，最高总温2 335 K；风洞流场品质好、均匀区尺寸大，喷管出口均匀区尺寸达到喷管出口直径的80%以上，均匀区内马赫数和总温偏差均优于2%；流向马赫数菱形均匀区大于理论预测值，流向总温均匀区呈直筒形分布；风洞长时间运行时流场参数波动小，马赫数和总温波动均优于2%。风洞具备了开展高速飞行器空气动力学、推进、材料与结构等试验研究的能力。     

高速风洞运转特性数值模拟

下吹-抽吸式高速风洞的起动和运转对模型测试有重要影响。为分析试验模型和扩压器对风洞起动和运转特性的影响,采用数值模拟方法,使用二维轴对称模型对Φ0.5m高速风洞的流场进行了研究,控制方程为粘性可压缩Navier-Stokes方程。对马赫数5和10两种状态下的流场行了对比,结果表明,试验段基本流态受试验舱静压控制,收集器对流动状态有很大影响。当带模型运转时,试验段内激波结构更为复杂,出现明显溢流,总压损失更大,所需起动压比越大;扩压器平直段直径决定了其静压恢复效率。扩压器平直段直径增大或安装模型时,临界运转压比都会明显增大;且马赫数越大,受到的影响越大。马赫数5带模型起动时,扩压器平直段直径0.5m,气流壅塞,风洞无法启动。无模型时,当平直段直径0.45m,扩压器不能发挥静压恢复作用,风洞运行时间明显缩短。     

T尾低速颤振模型设计

依据某大型飞机T尾几何尺寸和将进行试验的风洞特性，按照相似理论，确定了T尾低速颤振模型缩比比例系数。按照实际结构的动力特性，经过多轮分析计算，提出了模型设计方案。通过梁架模拟T尾振动特性、框段模拟T尾外形，加工制造了T尾低速颤振模型。特别是设计了一系列变参机构以模拟对颤振特性有显著影响的平尾迎角和上反角，也可调整平尾的俯仰刚度以及T尾和机身连接刚度，以实现相应参数的变化，研究这些参数对颤振特性的影响。     

斜拉桥模型风振试验研究

本文介绍了一种斜桥１：１６０弹性模型在北京大学环境中心３米＊２米风洞的试验研究，做了均匀流场和湍流场中发迹攻角和水平风向角的试验，研究了成桥状态和三种施工状的颤振、涡振和拌振特性。