高空巡航阶段的飞机尾涡流场演化特性研究

为研究飞机尾涡在高空巡航阶段的形成及消散特性,基于飞机尾涡流场快速仿真计算模型计算了不同飞行高度处尾涡的初始强度以及尾涡的危险区域,并分析了高空尾涡消散规律;然后计算不同飞机重量、大气湍流度、大气层结稳定性以及前机飞行速度下的高空尾涡危险区域,并对高空尾涡危险区域的影响因素进行分析.结果表明,与中低空相比,高空尾涡的初始强度大、消散速率快,尾涡危险区域的纵向范围在减小,但垂直范围有所增加,飞机参数和大气条件的改变可以减小尾涡影响范围.研究结果对高空尾流垂直间隔缩减研究具有实际参考价值.     

地面效应对尾涡消散的影响研究

采用大涡模拟方法可以分析和计算近地阶段尾涡消散和运动规律,但模型繁琐、计算复杂。本研究基于镜像涡方法建立了形式相对简单、计算迅速的近地尾涡运动模型和消散模型,计算结果与激光雷达测量数据和大涡模拟数据的偏差都不超过5％,满足动态尾涡间隔研究的需要。     

动态尾涡间隔计算工具的开发与实现

基于建立的尾涡消散模型、运动模型、遭遇模型,以Delphi 7.0为平台,采用面向对象的设计思想,开发了动态尾涡间隔计算工具,包括前机诱导尾涡流场计算、后机遭遇响应过程分析、安全间隔计算等功能模块。根据输入的飞机参数、气象数据、机场数据,实现对尾涡间隔的实时、高效计算。基于开发的计算工具,以B777-200和B737-800为前后机进行了验证计算。     

基于数值模拟的飞机近场尾涡特征参数计算

尾流间隔是飞机起降和飞行过程的安全保障。近场尾涡特征参数是尾涡远场演变和消散研究的基础，是缩减尾流间隔以提升机场及空域容量的理论依据。采用雷诺平均法数值模拟A320飞机尾涡的近场演化过程，对近场尾涡特征参数的计算方法进行了研究。结果表明：与Hallock-Burnham模型相比，Lamb-Oseen模型能更准确地描述近场尾涡速度分布；采用平均椭圆法计算的近场尾涡涡核半径比采用传统方法计算的精度更高；数值模拟中，A320机型更适合采用3～12 m的平均环量值来描述近场尾涡强度。     

反弹自消散系统尾涡控制机制研究

为了研究加快尾涡消散的机理,以获得更合理的尾流间隔,进行了壁面反弹实验的数值模拟计算。实验采取在模拟机翼后缘安置反弹面的方法,诱发反弹二次涡与主涡相交出现不稳定性,以加快尾流衰减。数值计算运用N-S方程,对雷诺应力项采用Realizableκ-ε涡粘模型进行计算,分析经二次涡干涉后尾涡轴向涡量衰减、涡核下沉运动等参数的变化,以探究反弹二次涡对飞机主涡消散的演变影响。实验结果表明,反弹涡对主涡衰减有明显的促进作用。该实验为人工干预缩减机场尾流间隔的研究奠定了理论基础。     

湍流模型对三维翼梢涡流场数值模拟的影响

 梢涡流场数值模拟对减少梢涡的不良影响意义深远。应用雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方法建立了三维翼梢涡流场数值模型,选用的湍流模型包括两种经典两方程模型和一种代数雷诺应力模型。计算内容包括翼梢涡流场速度分布、压力分布及涡核位置,为了准确模拟梢涡涡核内系统旋转和流线曲率影响,将旋转和曲率修正方法应用于选用的湍流模型中。计算时对翼梢涡涡核处网格进行了加密处理。将计算结果与实验结果对比后发现,修正后的湍流模型较标准湍流模型明显提高了预报精度,与实验结果吻合较好,具有工程应用价值。     

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％.     

ARJ21飞机尾涡在侧风条件下的近地演化数值模拟

尾流间隔是飞机起降安全的重要保障，也是制约机场效率的重要因素之一，而飞机尾涡的近地演化特性与规律是制定尾流间隔系统的基础和依据。因此，研究国产机型的尾涡近地演化特性与规律具有重要的现实意义。应用升力面模型初始化尾涡流场，采用自适应网格大涡模拟技术数值研究ARJ21客机尾涡在侧风条件下的近地演化过程，并分析在不同侧风条件下尾涡的演化与衰减特性。数值结果显示上游涡与下游涡演化具有不对称性，其中下游涡衰减更快，但移动距离更远，并且侧风越强尾涡衰减越快。此外，根据ARJ21尾涡的数值结果分析了不同机型跟随ARJ21进近时的安全性，发现重型机可不考虑其尾涡影响，而中型机和轻型机需根据气象条件选择合适的最小尾流间隔。     

基于Ansys Fluent的近场翼尖涡数值模拟与分析

为了进一步研究飞机远场尾涡,提供网格分配及湍流模型的参考,并为整机模拟提供必要的参考依据,通过基于Ansys Fluent的数值模拟方法,研究了NACA0012机翼的近场翼尖涡流场,采用有限体积法求解不可压缩雷诺平均Navier-Stokes方程,其中雷诺应力项分别以S-A和Realizable k-ε模型封闭,模拟了近场翼尖涡卷起的过程,分析了机翼表面压力以及涡核参数,包括轴向涡量、涡核位置、涡核粘性等,并与风洞实验结果进行了对比。结果分析表明:基于局部O-网的六面体网格,RKE模型要优于S-A模型,与实验值更为吻合。     

空中加油吊舱尾流场计算分析

为了得到空中加油吊舱尾后流场的分布特性,采用数值模拟方法对某型吊舱尾流场特性进行了仿真计算,分析了飞行高度和速度对加油吊舱尾流场分布的影响,并对计算结果进行了验证。研究结果表明,高度的变化对流场中速度矢量和涡量分布的影响较小,速度的变化对静压速度矢量和涡量的分布影响较大。     

对“超黄蜂（直八）进入尾涡流”现象的分析

根据直升机尾涡的固定涡系模型，简要介绍了直升机尾涡流和过渡速度，分析了直升机进入旋翼尾涡流的一般规律，最后讨论了超黄蜂(直八)进入旋翼尾涡流的实质、原因和处置等问题。     

高超声速进气道强制转捩流动的大涡模拟

吸气式高超声速飞行器常在进气道边界层内布置粗糙颗粒或涡流发生器强制流动转捩为湍流以确保发动机正常启动。为了清晰认识强制转捩过程,采用隐式大涡模拟方法,对强制转捩问题开展了数值模拟研究。针对钻石形和斜坡形涡流发生器,计算得到涡流发生器诱导的流动结构,显示出强制转捩流动由涡流发生器产生的反向旋转流向涡对主导。扰动沿流向增长和发展,导致流向涡对以偶模式或奇模式失稳,偶模式失稳产生对称形式的涡对破碎,而奇模式失稳则导致非对称（弯曲）形式的涡对破碎。流向涡对破碎后产生一系列发卡涡并最终促使边界层转捩为湍流。最后就计算网格和数值耗散对隐式大涡模拟结果的影响以及计算的收敛性进行了讨论。     

复杂旋翼流场的耦合欧拉-拉格朗日数值方法

针对影响旋翼流场求解精度的关键因素“桨叶复杂近体流动”和“尾迹涡畸变”,结合计算流体力学(CFD)方法和黏性涡方法,发展了一套适合于复杂旋翼涡流场分析的耦合欧拉-拉格朗日数值方法:为捕捉桨尖三维效应、激波等细节流场特征,在桨叶近体区域采用CFD方法对其进行求解;针对高雷诺数旋翼流场中桨尖涡的紧凑结构特点,引入黏性涡方法建立了高分辨率的尾迹求解模型;两计算域间的信息交换采用了集中涡源法和边界修正法.应用所建立的计算方法,以旋翼CFD标准验证试验(Caradonna-Tung旋翼)为算例,对尾迹影响明显的悬停状态进行了数值模拟,通过对比耦合边界处流场特征及桨叶表面压力系数分布,验证了方法的有效性.此外,还从旋翼尾迹捕捉精度、涡量耗散特征及计算时间等方面对不同计算方法进行了对比分析,结果表明耦合方法可充分发挥CFD和黏性涡方法各自的优点,在旋翼流场数值模拟方面具有独特的优势.     

一种尾流消散动态预测的改进算法

尾流间隔是增大跑道容量的主要限制因素之一，为了在保持安全水平的前提下有效地增大跑道容量，可以对尾流消散进行动态预测，并据此缩减尾流间隔。研究了一种尾涡消散动态预测算法，该算法考虑了真实大气的大气分层、湍流、侧风、迎面风、风切变以及地效影响，并用一阶后向差分对该算法进行了离散化改进；在改进算法的基础上，时进近阶段尾流的消散在Matlab中进行了仿真计算；计算结果复现了尾涡的下沉现象和侧风对尾涡传输的线性累积效应。     

悬停共轴刚性旋翼直升机涡尾迹高精度数值模拟

针对共轴刚性旋翼直升机流场涡尾迹的高精度数值模拟需求，结合结构化运动嵌套网格技术、高精度数值格式和非定常RANS方法，建立了共轴刚性旋翼直升机的非定常涡流场高精度数值模拟方法及高效并行化自主软件平台。运用所发展的方法和软件平台，进行了类“X-2”构型共轴刚性旋翼直升机悬停状态涡尾迹结构的高精度数值模拟。结果表明，所发展的数值模拟方法具有较高的计算效率和计算精度，能够捕捉到精细的涡尾迹结构及其非定常生成、发展和演化过程。     

基于高阶WENO格式的旋翼非定常涡流场数值模拟

为提高直升机旋翼黏性涡流场计算流体力学（CFD）的计算精度及降低数值耗散,发展了一套基于五阶加权本质无振荡（WENO）格式的旋翼非定常涡流场数值计算方法。采用运动嵌套网格方法生成围绕前飞状态旋翼的网格系统,以Navier-Stokes方程作为主控方程,湍流模型采用一方程Spalart-Allmaras模型。为了提高旋翼流场中对涡的形成、演化等发展过程的模拟精度,采用高间断分辨率的Roe-WENO格式计算对流通量。对状态变量的插值,选取适当的加权因子,通过多个重构模板的凸组合来构造五阶WENO格式,在交界面附近获得具有五阶精度的状态变量。为了提高计算效率,采用高效的隐式LU-SGS（Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel）推进方法和并行计算策略。最后,运用该方法分别对悬停状态下C-T（Caradonna-Tung）旋翼和UH-60A旋翼以及前飞状态下C-T旋翼和SA349/2旋翼的涡流场及气动特性进行了数值模拟,并将数值结果与传统二阶精度格式的计算值进行了对比。结果表明：在计算时间增长10%～20%的前提下,五阶WENO格式能够捕捉到更精确的涡流场特性,反映了五阶WENO格式在计算旋翼非定常涡流场时具有更高的计算精度与更低的数值耗散特性。     

龙卷风风场特性的CFD数值模拟

基于计算流体动力学方法建立了龙卷风发生装置的数值计算模型,对具有单涡结构的龙卷风风场特性进行了研究.分析了切向风速沿径向和高度的分布规律,并将切向速度沿径向的分布与Rankin涡模型和参数化气旋模型理论公式进行对比,验证龙卷风风场数值模拟结果的合理性.进一步研究了入口风速和入口角度改变对龙卷风风场特性的影响,并给出了各个数值计算模型近地面核心半径、最大切向风速和涡流比,进而可以获得不同尺度和不同强度的龙卷风风场.该方法为龙卷风风场模拟提供了新的研究途径,并可应用于建筑物的抗龙卷风设计研究.     

平板上有叶片绕流的源项模型

将源项模型应用于叶片涡流发生器的数值模拟中, 以叶片在当地流场中产生的升力作为源项一个分量原型, 并引入了法向力作为源项另一个分量原型.该源项由叶片的形状、大小、位置以及来流条件等参数决定.在数值模拟中, 叶片位于平板上, 其高度约为当地边界层厚度的1/5.在相同计算条件下, 对"升力-法向力"源项模型计算结果和全网格计算结果及实验数据进行比较.源项模型可以得到与全网格数值模拟基本一致的诱导速度场和涡量场, 而网格量减少了65%.      

带自由表面水流的分离涡模拟

目前水动力学问题的数值求解仍然广泛采用RANS模型,特别对于大尺度的地表水流的数值模拟,该类模型计算效率较高,但其难以给出湍流场的小尺度涡结构.深入研究复杂地形条件下的水流运动,需要发展诸如LES等的高级数值模型.天然地表水流,地形、边界复杂,雷诺数通常较高,高级数值模拟受限于计算能力的限制,还难以工程应用.RANS和LES混合模型是目前具有工程应用的一种混合数值模型,其已经在CFD领域获得了长足发展.然而对于地表水流运动的数值模拟,相关工作还较少.本文将分离涡模型(DES),即一种RANS和LES的混合模型,应用于带自由表面的地表水流运动,建立了一套数值仿真模型.模型基于有限体积法,水平面内采用非结构计算网格,垂向为结构化网格,对流项离散格式采用二阶TVD格式,并行基于OpenMP语言库.算例表明DES模型有助于揭示复杂地形条件下带自由表面水流的大涡拟序结构.     

侧风条件下地面涡来源和气动特性的数值研究

为了研究侧风条件下地面涡的涡量源和地面涡的气动特性，选取缩比进气道并对侧风条件下的流场进行了数值模拟。结果表明:90°侧风条件下，尾涡和环境涡量都是地面涡的重要来源，即使不存在环境涡量，尾涡仍然可以单独形成地面涡，尾涡-地面涡流动模型能够很好地解释这一现象。地面涡涡量随来流速度的增加先增大后减小，临界速度比随离地间隙的增大而增大。离地间隙增大一倍，临界速度比增大65%，地面涡涡量峰值减小30%。受到地面涡本身以及流动分离的影响，进气道的总压损失随着来流速度比的减小而增大。