高速飞行器翼舵缝隙激波风洞精细测热试验研究

高速飞行器的气动控制翼舵面,为了转动灵活,在弹体和翼舵面之间存在缝隙。缝隙的存在会导致高速热气流进入,在舵轴根部产生强分离再附区域,形成高热、高压、高剪切严酷热环境,对飞行器的热防护提出了很高要求。由于影响翼舵缝隙流动的因素十分复杂,缝隙内热环境的准确预测非常困难。目前传统的激波风洞缝隙测热试验受限于薄膜热流传感器2mm直径,只能在分离再附区布置有限测点,无法捕捉到热流峰值,导致计算与试验存在较大偏差。本文根据缝隙分离再附区热环境特点,针对精细测量的可行性,从传感器选取、测点布置方案、测量及数据后处理等方面进行了详细分析,提出了分布式热电偶精细测量方法,实现了采用点测热达到面测热的效果。针对简化的圆柱弹身加舵面的模型,完成翼舵缝隙精细测热试验,获得了翼舵干扰区峰值热流。试验研究了不同缝隙高度、舵偏角、迎角对翼舵干扰区热环境的影响规律,试验结果表明:翼舵缝隙对弹身干扰主要集中在舵轴干扰区。舵轴干扰区热环境随着缝隙高度的增加而增强,随着舵偏角和迎角的增大而增大。同时,试验结果与CFD计算结果对比表明,两者基本吻合。     

平板空气舵干扰区烧蚀凹陷对热环境影响

针对高速飞行条件下空气舵干扰区烧蚀产生的局部凹陷对气动加热的影响问题,建立了平板-空气舵流动模型,针对典型高速飞行状态,采用高温热化学非平衡数值模拟,研究了空气舵缝隙区的流动结构和气动加热规律,并对舵缝干扰区的烧蚀外形进行了模化,分析了干扰区烧蚀凹陷对流动结构和气动加热的影响,结果表明:烧蚀凹陷改变了干扰区压力分布规律,降低了沿展向压力梯度,从而抑制了边界层的横向流动和厚度减薄效应,使得干扰区热流降低,且热流降低量值与烧蚀凹陷深度呈正相关,凹陷深度为5 mm时干扰区热流降低量达到28.9%。      

机动弹头气动布局的一种新思路

常规的全动舵面机动弹头在再入飞行过程中,舵缝隙和舵轴附近的热环境特别恶劣,舵轴在承受巨大的弯扭力矩的同时,还必须解决所面临的严重的烧蚀防热问题,舵的设计往往成为影响弹头技战术性能的严重制约因素.本文提出了一种新型伸缩舵面机动弹头气动布局设计新理念,避免了普通全动舵面布局方案中舵轴设计面临的严峻的热环境和力环境等问题,而且还可以只通过这两片舵面实现对弹头的姿态和升力大小及方向的控制,从而实现对弹道的三维控制,是一种很有前途的机动弹头布局新思路.     

翼梢小翼后缘舵面偏转对机翼气动特性影响研究

以大型客机某方案机翼为基本翼,基于N-S方程数值模拟的方法,研究融合式翼梢小翼后缘操纵舵面偏转对机翼空气动力特性影响。研究发现,翼梢小翼舵面偏使得机翼气动特性发生显著变化。一方面,偏转舵面导致了机翼最大升阻比的降低,然而它可以优化不同飞行阶段升阻比。其中,舵面外偏,机翼在阻力增加不大的条件下,升力明显增大,有利于提高起飞、爬升性能;舵面不偏条件下升阻比最大,有利于提高巡航效率;舵面内偏,机翼阻力明显增大,有利于提高飞机着陆性能。另一方面,舵面偏转可以控制机翼翼梢涡的发展,有助于耗散机翼尾涡及激发翼梢涡自身的不稳定性而加速耗散。     

侧向喷流对导弹方向舵局部气动热特性的影响

为探索侧向喷流流动控制技术对高速导弹方向舵局部气动热特性的影响规律及相关机理，对带有方向舵和舵轴的导弹在不同攻角和喷流条件下进行了数值模拟，得到了模型流场和壁面热流分布。研究结果表明：喷流压比达到75时，可以避免受弓形激波干扰的来流气体作用在方向舵上，能有效减少方向舵前缘中后段的壁面热流；随着喷口位置与方向舵前缘距离的增加，喷流后回流区结构和范围变化不明显，方向舵前缘的壁面热流变化不大；不同攻角来流条件下，侧向喷流均能有效降低方向舵前缘的壁面热流。攻角大于10°后，喷流的热防护效果有所降低；有攻角来流条件下，在舵轴的正前方喷流，自由来流绕喷流流动，舵轴下壁面边界层内气体密度上升，使舵轴两侧压差增大，舵轴的壁面热流增大；在0°攻角来流条件下，喷口两侧方向舵所受侧向力与喷流推力方向相反，此时导弹的放大因子增大。     

高超声速可变形双翼气动特性

为研究高超声速可变形双翼在不同迎角和不同马赫数条件下的气动特性,并针对在给定的迎角和马赫数条件下可变形双翼的舵面偏转角选取困难的问题,通过结合二分法、遗传算法和高斯牛顿算法对处于不同迎角和不同马赫数条件下的可变形双翼的舵面偏转角进行了选取确定,分析了可变形双翼的气动特性和舵面偏转角对其气动特性产生影响的机理。研究表明:当来流马赫数为5,迎角从1°~8°变化时,可变形双翼的升阻比明显大于Busemann双翼的升阻比,最大可达4.2倍;当迎角为3°,来流马赫数从0.5~5变化时,可变形双翼的升阻比最大可达Busemann双翼升阻比的3.4倍。结果表明可变形双翼在大迎角和大速度范围内均能保持高升阻比,在高超声速飞行中将具有更好的应用价值和前景。     

气-粒两相流对燃气舵工作性能的影响

为了研究气-粒两相流对固体火箭发动机燃气舵的影响,基于固体火箭发动机燃气舵的工作特点,在求解二维Navier-Stokes(N-S)方程的基础上,分别对有无颗粒相的流场进行了数值模拟,并且考虑了颗粒直径为1,10μm和30μm,颗粒质量分数为15%,20%和30%,舵偏角为0°,5°,10°及15°的各种组合工况.结果表明,在相同外界条件下,有颗粒相时舵表面的压力要大于无颗粒相时的表面压力,而且这种差别在迎风面和舵片前半部分表现得比较明显;在气动性能方面,有颗粒相时升力和阻力都要比无颗粒相时大,这种差别随颗粒直径的增大而减小,在一定颗粒质量分数范围内,随颗粒质量分数的增加而增大.      

碳/酚醛燃气舵热化学烧蚀过程数值研究

为了研究碳/酚醛燃气舵热化学烧蚀问题,在Fluent平台上采用UDF二次开发方法,对碳/酚醛燃气舵二维非定常流固热耦合过程进行了数值仿真研究。对几何建模、边界条件、热解气体逸出过程以及热化学烧蚀导致的边界退移等问题进行了详尽的描述,并选取了合适的计算模型。对不同舵偏角下燃气舵温度分布、热解气体逸出通量以及热化学烧蚀等问题进行了分析研究。结果表明:燃气舵表面化学反应以及热解气体的逸出过程能够有效降低燃气舵壁面以及内部温度,下降温度最高值约为325K;燃气舵前缘一直是热化学烧蚀最严重区域,达到0.5mm,迎风面烧蚀量次之,而背风面几乎不存在热化学烧蚀现象;迎风面热化学烧蚀会随着舵偏角的增大而变得更为严重。     

折叠舵外翼气动特性研究

采用风洞试验和CFD相结合的方法对机载导弹折叠舵外翼气动特性进行了研究,研究内容包括外翼折叠角、迎角、来流Ma数、气动滚转角等,通过研究推导建立了外翼气动载荷的经验计算公式。研究结果表明,"×"型状态下外翼载荷随外翼展开而变大,在折叠角约30°附近载荷最大。CFD计算与试验数据吻合良好,不同Ma数下气动系数差别较小,Ma=1.2时气动系数值最大。大量计算数据表明,外翼气动载荷与当地气流偏角存在正相关性,并可以写成合成迎角,滚转角、舵面方位角和折叠角的函数。在迎风区预测值与样本值几乎完全重合,而在背风区受弹身干扰而存在一定误差。     

支板阻力特性实验

实验在超燃冲压发动机直连式试验台进行,燃烧式加热器出口气流马赫数为2.7,总温为1 337 K.利用推力测量系统对不同结构尺寸支板的冷流阻力和热试阻力进行了研究.比较了高度分别为37.5 mm和71 mm,后掠角分别为0°,30°和45°的支板冷流阻力,结果表明支板的冷流阻力随支板高度的增大而增大,随后掠角的增大而减小;实验还在燃烧模态下对不同当量比时支板的阻力进行了对比,结果表明支板的热试阻力比冷流阻力小,且支板的热试阻力随当量比的增加而减小.      

凹腔驻涡与支板稳焰组合加力燃烧室模型冷态流场试验

利用粒子图像测速仪(PIV)对凹腔驻涡与支板稳焰组合加力燃烧室模型进行冷态流场测量,获得该加力燃烧室流场的变化规律和压力损失的变化情况.试验结果表明:随着偏转角(5°~17°)的增大,支板稳定器的整流效果变差,得到的流场的均匀性变差;随着进口马赫数(0.18~0.30)的增加,凹腔内旋涡结构变得完整,从凹腔出来的气流沿径向支板稳定器的穿透能力增加.气流在支板稳定器后形成了低速区回流区,随着进口马赫的增加,回流区的宽度有所增加;加力燃烧室的总压损失随进口马赫数的增加而增大,较常规V型稳定器的总压损失大.      

甲烷反扩散火焰光谱特性实验研究

为了研究层流甲烷反扩散火焰的光谱特性,采用光纤光谱仪对层流甲烷/空气反扩散火焰中发射谱线分别为314nm和430nm的激发态自由基OH*和CH*进行了光谱特性实验研究,分析了OH*,CH*辐射强度随空气喷嘴出口Re数的变化规律,及其沿反扩散火焰轴向与径向的分布特征。研究表明:甲烷反扩散火焰具有明显的内外双层结构,OH*和CH*辐射强度沿火焰轴向与径向均呈现先增后减的趋势。随着空气流量增大,OH*,CH*分布范围变大,并逐渐向火焰下游扩展。在距喷嘴出口5mm处出现OH*和CH*辐射强度峰值,且峰值的轴向位置不随空气流量增大而改变。     

热载与进口气流条件对柱肋通道换热的影响

目前关于燃气涡轮叶片冷却的实验研究多数是在常温常压进口气流和低壁温条件下进行的,而实际燃气涡轮叶片的冷却气流为来自于压气机的高温高压空气,且涡轮叶片壁面热载（定义为加热壁面壁温与冷却气流进口温度之比）很高。为了掌握热载与进口气流条件对于涡轮叶片尾缘内部冷却通道的冷却效果的影响,本文在考虑空气物性随温度变化的情况下,采用数值模拟方法进行了相关的计算和分析。计算选取了两种进口气流条件（常温常压、高温高压）,热载为1.1-1.9,进口气流雷诺数为5×103-1×105。计算结果表明,进口气流雷诺数一定的情况下,随着热载的增大,通道内换热能力降低,流动阻力系数增大;与常温常压进口气流条件相比,高温高压进口气流条件导致通道努塞尔数降低,并且努塞尔数在高热载条件的降低更为显著;在进口气流雷诺数为60000的条件下,高温高压进口气流、热载为1.9的条件下通道的努塞尔数比与常温常压进口气流条件、热载为1.1条件下通道的努塞尔数降低了15.8%,且随着进口气流雷诺数的提高,通道换热的削弱程度进一步增大。本文的研究表明,涡轮叶片的冷却设计必须考虑叶片冷却的实际条件,并对实验数据结果进行合理修正。     

考虑间隙非线性的控制舵非线性气动弹性分析

间隙结构的气动弹性系统非线性颤振问题是飞行器气动弹性力学工程领域的研究热点和难点,研究 考虑间隙非线性的控制舵系统的气动弹性特性具有重要意义。基于最小状态拟合方法获得时域降阶气动力模 型,并通过Lagrange方程获得系统非线性气动弹性方程;对比分析三种不同非线性控制舵系统的极限环颤振 及非线性动力学响应特性,并与等效线化法和时域仿真的结果进行一致性对比。结果表明:俯仰和扑动弹簧刚 度的变化对系统颤振边界有显著影响,当俯仰和扑动两个方向同时含有间隙非线性时,系统在线性颤振速度内 存在倍周期、混沌等复杂非线性动力学现象。     

CARDC 激波风洞 TSP 技术研究进展

从基本原理、关键技术和验证应用三个方面总结了近两年在中国空气动力研究与发展中心激波风洞中开展的温敏涂层(TSP)技术相关研究工作。通过解决快速响应温敏发光材料研制、模型研制、数据处理等一系列关键技术,完成图像采集系统、光学系统及标定系统的配套和系统集成,建立了一套适于激波风洞试验的高速 TSP 测量及标定系统。该技术可在激波风洞试验中获取模型被测面温敏涂层的发光图像,基于该图像可以直接观察模型表面热流分布和捕捉峰值热流的准确位置。结合温敏发光材料的物性参数标定数据,能够实现对模型表面热流的定量测量。不同于传统的传感器点热流测量技术只能得到模型表面有限数量的离散点的热流值,TSP 技术能够以高空间分辨率得到较大面积区域的详细热流分布信息,可更加全面的测量模型外表面的热环境,并且可以据此进一步分析和辨别边界层流态以及确定边界层转捩位置。试验对比表明,TSP 技术的测量结果与点热流传感器的测量结果具有良好的一致性。目前该技术已趋于成熟,在Φ2 m 和Φ0.6 m 激波风洞上成功应用于边界层转捩研究、局部干扰区热环境研究和复杂外形飞行器热环境研究等领域,已成为激波风洞除点测热技术之外又一重要测热技术。     

MEMS传感器测量平板表面摩擦应力高速风洞试验

采用两种热敏MEMS传感器阵列和一种电容式MEMS传感器,在FL-21风洞中开展了平板模型表面摩擦应力分布测量试验研究。试验马赫数（地）为0．3-0．6,试验雷诺数（Re）为（0．63-1．23）×10^7m^-1,模型迎角为0°。试验结果表明：平板模型边界层流动能量主要集中在1000Hz以内;试验测得的表面摩擦应力分布随Ma变化规律与可压缩层流／湍流估算值吻合较好;试验所用平板模型边界层流动转捩起始点位于距平板前缘160mm附近,终止点在距平板前缘202．5-242．5mm之间。     

温度对涡轴发动机起动性能影响的试验研究

为研究装直升机后的涡轴发动机的地面起动性能,开展了不同环境温度、冷/热态条件下的发动机地面起动试验,分析了温度对起动时间和排气温度峰值的影响。结果表明,随着环境温度的增加,冷态起动时间先降后增,热态起动时间、冷/热态起动排气温度峰值均呈线性增加。环境温度0℃以下时,随温度的降低冷/热态起动性能差异逐渐增大,滑油导致的转子阻力矩升高是低温冷态起动时间长的主要原因。利用试验结果,建立了冷/热态起动时间、排气温度峰值随环境温度变化的模型,并应用于实际飞行时的起动监控。     

真实气体效应对升力体舵面局部流动分离的影响

数值模拟分析了高马赫数低雷诺数条件下激波边界层干扰、激波与激波相互作用、流动分离再附等流动现象的特点以及高温真实气体效应的影响。分别采用量热完全气体、平衡气体、化学非平衡气体模型对升力体由于舵面偏转引起的局部流动分离情形进行了数值模拟。研究了飞行高度、壁面温度及来流马赫数对流动分离的影响。计算结果表明:真实气体效应使空气在边界层内发生离解反应,边界层内温度降低,粘性减小,动能损失减小,克服逆压梯度的能力更强,从而使分离区明显减小。分离区的减小改变了分离/再附激波的位置和强度,进而对局部压力及热流分布产生重要影响;随高度增加,平衡气体较完全气体分离区相对减小量增大,平衡气体效应对流动分离/再附现象的影响越大;壁温对分离区影响较大,随壁温升高,分离区增大;随马赫数增大,分离区减小,真实气体和完全气体的差异增大,真实气体效应的影响更加显著。     

爆震管壁面热负荷实验

在一台内径61 mm、长度1140 mm的气动阀式脉冲爆震发动机(PDE)上,进行了爆震管热负荷的测量计算,主要采用了两种换热模型:一是自然对流和热辐射模型;二是强迫对流模型.在两种方式下,爆震管的热负荷随频率的变化关系基本相同,即随频率升高而热负荷增大,但频率增加两倍热负荷增加却不止两倍.此外,在方式二的情况下,还得到煤油蒸发率随频率的变化关系,为PDE蒸发器设计提供参考.      

涡轮叶片内冷却通道的流阻与换热研究

用实验方法研究了冷却气流在放大1倍模型涡轮叶片内通道的压力、冷热态流阻及局部换热系数分布。得出了相应的经验公式。冷却空气径向进入前缘冷却通道, 到顶端折而向下在两隔板间流动, 大部分空气经隔板5个穿孔弦向流入带三排扰流柱的收缩通道, 并弦向排出叶片尾部。