细长体大迎角非对称流动的高速PIV风洞试验研究

具有细长前体构型的飞行器在大迎角绕流中会出现明显的非对称涡系流动及其伴随而来的非对称力,该现象受多种因素影响,而其中对压缩性效应的研究相对较少。在0.6m亚跨超声速风洞中,采用PIV测量技术,对尖拱细长旋成体大迎角非对称流动开展了试验研究。试验M数范围为0.4~1.2,迎角为40°。试验结果表明:细长体模型在高速情况下仍然存在非对称多涡流动结构;Re数和压缩性均对非对称涡流动产生明显影响;模型头尖部人工微扰动与非对称涡之间存在确定的响应关系。     

头部和后体对钝头体侧向力的影响

钝头体大迎角飞行时会出现随机的非对称流动现象,引起不确定的较大侧向力,进而使其偏离运行轨道。通过在钝头体头部施加人工扰动块可以固定其大迎角下的非对称流场结构,得到确定的侧向力,以利于改善钝头体的大迎角飞行特性及机动性。本文讨论了在头部人工扰动块主控流场结构的基础上,模型后体对侧向力影响的存在性问题,在迎角为50°、雷诺数为1.54×105的条件下,利用实验对周向角为90°和270°、子午角为10°的扰动位置的球形扰动主控下的侧向力影响因素进行了研究。发现钝头体大迎角下的非对称流动结构在头部主控的基础上,后体对非对称流动的影响不会消失,且其为影响头部扰动主控作用的重要因素。尽管模型后体的影响不会改变钝头体头部对于流场结构的主控地位,但会影响头部扰动控制的精准程度。所以在通过钝头体头部施加扰动进而得到确定的侧向力的同时,还需要减小模型后体对流场的影响,对其结构和加工质量进行优化,以更好地通过人工扰动主控流场结构。     

壁面的表面粗糙度引起的Stokes层亚临界不稳定性

用数值模拟的方法研究了二维壁面的表面粗糙度下Stokes层的非线性亚临界不稳定性问题.发现当粗糙度高度极小时,响应系数曲线与线性情况就会产生较大偏离.随着粗糙度高度的增加,扰动1阶谱会出现亚谐波的成分,粗糙度高度的进一步增加使扰动1阶谱进入混乱阶段,显示出亚临界失稳的过程.根据粗糙度高度与扰动1阶谱演化的特征关系,定义了临界粗糙度高度,并给出临界粗糙度高度与雷诺数的关系曲线.结果表明:临界粗糙度高度随着雷诺数增大而减小.雷诺数为300左右时,微米量级的粗糙度高度就可能引起Stokes层的亚临界失稳,发生转捩,由此也可以给出实验中观测到的转捩通常都发生在雷诺数为300附近的原因.      

旋转盘腔轴向通流的压降和温升数值研究

为获得旋转雷诺数对盘腔轴向通流温升和压降的影响,对轴向通流雷诺数(Re_x)恒定为1.0′10^₅、旋转雷诺数(Re_w)在0~5.31′10^₆之间、绝热边界下的流动进行了数值模拟,从流场特征、盘面绝热温升以及轴向通流压降和温升等三个方面进行了分析。研究表明,旋转雷诺数对于盘腔内部和轴向通流的流动均具有显著影响;尽管是绝热盘面,但是由于高速旋转的黏性耗散作用引发盘腔内气流的温升,由温度差引起的浮升力对于盘腔内流动和盘面温度分布的影响也是不可忽略的;随旋转雷诺数增大,轴向通流出口温度相对进口温度的温升急剧增大,在旋转雷诺数小于2.5′10^₆时,轴向通流相对温升系数在0.01以内,当旋转雷诺数大于4.5′10^₆时,轴向通流相对温升系数达到0.04以上。     

高超声速下表面凸起干扰气动热实验研究

 对高超声速飞行器表面凸起附近的气流流动和气动加热开展了实验研究和分析。实验在高超声速炮风洞中进行,来流马赫数为8.2、单位雷诺数为9.35×10⁶ m^-1。利用薄膜传热测量方法进行了凸起几何形状和边界层状态对干扰流动加热的影响评估。利用流油图谱和纹影摄像法得到了凸起周围的流动特征:若凸起上游边界层未分离,最大峰值热流发生在凸起侧方附近处;若凸起上游边界层完全分离,最大峰值热流通常发生在凸起的上游表面。实验发现最大峰值热流和来流边界层状态关系不大,原因是流动干扰区表现出较强的三维扰动特性,使得来流层流边界层在干扰区内会转变成过渡甚至完全湍流状态。     

粗糙壁热交换实验研究

 本文介绍了来流马赫数5的条件下,典型球锥模型的粗糙壁热交换实验结果。模型头部半径R为27.4毫米,底部直径D为60毫米,对五个不同粗糙度的模型进行了实验。模型表面粗糙颗粒直径d分别为0、0.3、0.5、0.7、0.9毫米。风洞前室总压P_t为10～45公斤/厘米。,相应的来流雷诺数R_eD为（O.8～3.6）×10⁶。 实验结果表明:光滑壁模型表面是层流加热,驻点热流与层流理论计算值较一致。粗糙度的影响,在低总压条件下（10公斤/厘米）主要在于促使边界层的转捩和发展。随着风洞总压的提高,物面静压和局部雷诺数的相应增大,粗糙度对热流的影响才明显增强,而严重的区域在端头。在实验最大粗糙度和最大总压条件下（d=O.9毫米、p_t=45公斤/厘米。）,除驻点值外,热流与光滑壁层流驻点值相比(q_i/q_so)的峰值在音点区域且接近4,而在驻点,此模型有别于其它模型,较为特殊,比热流最大值接近6,看来这可能与驻点局部外形变化有关。     

几何微扰动对脱体涡非对称性影响的数值分析

利用拟压缩性方法，Ｂｅａｍ－Ｗａｒｍｉｎｇ近似因式分解格式数值求解三维定常不可压缩Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程采用Ｄｅｇａｎｉ－Ｓｃｈｉｆｆ修正的Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ代数湍流模型，计算了绕尖头正切拱型旋成柱体的大迎角大雷诺数脱体涡流场，计算结果表明，在柱体头部施加微小的非对称几何扰动时，可以得到与实验相符的非对称脱体涡。     

粗糙带起始位置对旋成体绕流过临界雷诺数模拟效果的影响

使用低速闭口风洞,对头部带有确定人工扰动的尖拱型旋成体,在模型两侧θ=±52.5°粘贴条状粗糙带的条件下,粗糙带的轴向起始位置在x/d=0.75之前变化,固定迎角为40°,在雷诺数ReD=0.67～9.4×105变化范围内,通过表面测压研究粗糙带起始位置对模拟过临界Re数下旋成体绕流的影响.结果表明大迎角下,人工转捩带的轴向起始位置会影响到头部部分截面的压力分布,但对后体的影响很小.粗糙带的起始位置越靠后,所受影响的轴向位置越远.通过分析得出粗糙带起始位置与受影响的轴向位置x/D之间的关系曲线,由此确定模拟过临界雷诺数下流动时合适的粗糙带起始位置.     

声激励下旋流钝体火焰的非线性响应实验

在常压条件下对二甲醚贫燃预混旋流钝体火焰施加100 Hz的外加声激励，运用高速OH^*化学发光成像和粒子图像测速锁相同步测量的实验方法，针对不同速度脉动比例下的火焰形态特征和流场特征的动态变化开展可视化测量，得到火焰描述函数。研究发现，随着声波幅值增大，火焰的热释放率将先线性增加，在到达扰动临界点后，火焰出现非线性响应现象，实验中的临界速度脉动比例为16%。同时，通过逆阿贝尔变换和本征正交分解等方法比较了火焰线性响应与非线性响应工况的流场和燃烧场差异，发现在非线性响应工况下火焰形态的涡卷起和流场中的外回流区涡脱落特征增强，这表明外回流区涡脱落增强现象可能是诱发火焰非线性响应的原因。     

带有加强肋的涡轮机匣排孔冲击连腔结构内部换热特性研究

为获得涡轮机匣内部表面换热系数分布数据,以带有加强肋的排孔冲击连腔结构为对象进行了瞬态液晶实验。研究了不同射流雷诺数（Re=5.1×10³~1.1×10⁴）、冲击间距比（2.5,5.0,7.5）及轴向间距比（4.0,9.0,14.0）对靶面努塞尔数的影响规律。实验结果表明：增大射流雷诺数对靶面平均努塞尔数的提升最显著。随着冲击间距比的增大,靶面平均努塞尔数逐渐减小,但这种换热削弱效果局限在距冲击驻点2D~3D（D为冲击孔直径）范围内,其它区域的变化很小。在靠近前后端壁的局部区域,表面努塞尔数随冲击间距比的增大而增大。轴向间距比的改变不会影响无出流孔靶面的换热情况,对于有出流孔靶面而言,轴向间距比为9.0的结构换热效果最好。Re=5.1×10³条件下,轴向间距比为9.0结构在有出流孔靶面上的平均努塞尔数相比4.0和14.0结构分别增大了5.7%和8.1%,并且随雷诺数增大,增幅越大。     

Low-frequency unsteadiness of vortex wakes over slender bodies at high angle of attack

A type of flow unsteadiness with low frequencies and large amplitude was investigated experimentally for vortex wakes around an ogive-tangent cylinder. The experiments were carried out at angles of attack of 60–80 and subcritical Reynolds numbers of 0.6–1.8×105. The reduced frequencies of the unsteadiness are between 0.038 and 0.072, much less than the frequency of Karman vortex shedding. The unsteady flow induces large fluctuations of sectional side forces. The results of pressure measurements and particle image velocimetry indicate that the flow unsteadiness comes from periodic oscillation of the vortex wakes over the slender body. The time-averaged vortex patterns over the slender body are asymmetric, whose orientation is dependent on azimuthal locations of tip perturbations. Therefore, the vortex oscillation is a type of unsteady oscillation around a time-averaged asymmetric vortex structure.     

翼型近尾迹流动的PIV研究—运动学特性

利用在线式PIV系统(ParticleImageVelocimetry),在低速风洞中对NACA0012翼型在雷诺数2.39×105,0°和4°攻角下的近尾迹流动进行了实验研究。实验结果表明,在较高的雷诺数下翼型近尾迹流动是一种以旋涡的运动学和动力学特性为主导的湍流剪切流。在测量范围内,翼型的尾缘处是近尾迹涡街的形成区;尾缘后0.5倍弦长的区域存在类似于卡门涡街的有序结构,是旋涡发展区域,旋涡具有较好的稳定性;距翼型尾缘0.5倍弦长至1倍弦长的区域,是翼型近尾迹流动由有序走向无序区域,旋涡开始破裂。翼型表面边界层对翼型近尾迹湍流剪切流的演化有重要影响。实验结果还给出了近尾迹流动的平均速度、湍流强度和剪切应变变化率,以及速度脉动量的二阶关联量u'u',u'v'和v'v' 的分布。      

高速下模型头部扰动与非对称涡流动响应研究

采用尖拱细长旋成体模型,在M=0．4～1．2范围内,通过表面压力测量和PIV流态观测手段,对高速情况下模型头尖部微扰动与大迎角非对称涡流动的响应关系进行了研究。研究结果表明：在此高速范围内,尖拱细长旋成体的大迎角流动仍然呈现出非对称多涡结构,头部微扰动对非对称涡有影响,但对模型的非对称气动力影响不明显。     

Aerodynamic performance enhancement of a flying wing using nanosecond pulsed DBD plasma actuator

Experimental investigation of aerodynamic control on a 35 swept flying wing by means of nanosecond dielectric barrier discharge(NS-DBD) plasma was carried out at subsonic flow speed of 20–40 m/s, corresponding to Reynolds number of 3.1 · 105–6.2 · 105. In control condition, the plasma actuator was installed symmetrically on the leading edge of the wing. Lift coefficient, drag coefficient, lift-to-drag ratio and pitching moment coefficient were tested with and without control for a range of angles of attack. The tested results indicate that an increase of 14.5% in maximum lift coefficient, a decrease of 34.2% in drag coefficient, an increase of 22.4% in maximum lift-to-drag ratio and an increase of 2 at stall angle of attack could be achieved compared with the baseline case. The effects of pulsed frequency, amplitude and chord Reynolds number were also investigated.And the results revealed that control efficiency demonstrated strong dependence on pulsed frequency. Moreover, the results of pitching moment coefficient indicated that the breakdown of leading edge vortices could be delayed by plasma actuator at low pulsed frequencies.     

翼型近尾迹流动的PIV研究—动力学机制

利用在线式互相关PIV(ParticleImageVelocimetry)系统,在低速风洞中对NACA0012翼型在雷诺数2.39×105,0°和4°攻角下的近尾迹流动进行了详细测量。实验结果表明,翼型近尾迹存在有序的涡街结构,涡街在尾缘处形成后,在向下游的迁移中,会经历一个发展壮大、失稳破碎的演化过程,流动从有序走向无序。翼型的近尾迹是一种以旋涡的运动学特性和动力学机制为主导的流动现象。本文着重探讨了翼型尾缘处的涡街形成机理,尾迹内的流动机制,以及近尾迹的流动稳定性。      

合成射流大攻角非对称涡控制的试验研究

利用合成射流对细长旋成体大攻角非对称涡控制进行了研究,基于合成射流激励器设计了一频率高达1kHz的非定常小扰动控制机构,并将其成功应用于大攻角非对称涡主动流动控制。应用天平测力和七孔探针流场测试技术,研究了合成射流非定常小扰动电压和频率对非对称涡的控制特性和规律。结果表明,采用合成射流能够完全消除背涡的非对称性,扰动频率是影响非对称涡控制的一个关键参数,高频扰动下模型背风区非对称涡结构趋于无控制流态。且文中结果发现,当攻角α=57.5°、非定常小扰动频率fs=150Hz时,即可将非对称涡完全控制成为对称涡。     

Behavior of wake vortices near the ground over a large range of Reynolds numbers

Numerical simulations based on the two-dimensional vorticity-stream function formulation are used to investigate the behavior of wake vortices near the ground over a wide Reynolds number range and to determine the maximum height the primary vortices reach far downstream of the lifting wing. All cases within the studied Reynolds number range (3 · 10² ≤ Re_Γ ≤ 3 · 10⁶) show the separation of boundary layer vorticity from the ground, the formation of vortices in the separation region and one or several rebounds of the primary vortex pair. The amount of circulation produced within the boundary layer shows only minor variations, while an increasing Reynolds number results in an increasing number of generated vortices with decreasing circulation. The minimum altitude of the primary vortex pair increases with a decreasing Reynolds number, while the maximum altitude far downstream does not show a regular dependence on the Reynolds number. For all Reynolds numbers the maximum altitude of the primary vortices far downstream is smaller than 3.1 times their initial spacing. This result is confirmed by theoretical deductions yielding an upper limit for the maximum altitude of the primary vortices after several rebounds.     

高超声速钝楔边界层转捩大涡模拟

 以五阶迎风和八阶对称格式混合差分格式求解三维可压缩滤波Navier-Stokes方程，对来流Mach数为6.0、半锥角5°的高超声速空间发展钝楔边界层转捩至完全湍流进行了大涡模拟。时间推进采用紧致存储三阶Runge-Kutta方法，亚格子尺度模型为Driest因子修正的Smagorinsky涡黏性模型。通过定常流场入口边界附近吹／吸引入不稳定扰动斜波的方法数值模拟得到了层流失稳转捩直至完全湍流的空间发展全过程。对扰动的线性、非线性增长以及湍流斑的形成和发展进行了分析，给出了转捩及完全湍流下的速度相关量统计并与实验、DNS结果进行了对比分析，计算结果与理论及实验吻合。     

基于线性稳定性分析的翼尖涡摇摆机制

在涡不稳定性特征的影响下，翼尖涡会在尾迹中发生摇摆运动。为了揭示翼尖涡摇摆的本质原因以及发展机理，采用体视粒子图像测速（SPIV）技术和线性稳定性分析方法对不同雷诺数和迎角下NACA0015等直翼产生的翼尖涡在尾迹区的不稳定性特征及发展进行研究。结果表明：在1~6倍弦长的尾迹区内，翼尖涡存在摇摆现象，摇摆幅值随流向放大，且摇摆运动沿流向逐渐呈现出各向异性特征；在大迎角条件下，翼尖涡摇摆幅值随流向增长更快。采用线性稳定性分析方法，定量化分析翼尖涡的稳定性、空间/时间不稳定性放大率和扰动频率随流向的发展过程。结果显示，在雷诺数2.1×10⁵~3.5×10⁵范围内，翼尖涡均处于临界稳定状态，扰动频率为3~5 Hz。基于线性稳定性分析结果，发现在大迎角条件下翼尖涡时间/空间不稳定性放大率更大，解释了当迎角增大时翼尖涡摇摆幅值随流向增长更快的现象。另外，由线性稳定性分析得到的最不稳定模态显示翼尖涡的横向速度扰动具有明显的方向性，从而诱导翼尖涡产生摇摆运动；速度扰动方向的周期性变化则使翼尖涡摇摆区别于一维的随机振荡，而是表现为在各方向均含有分量且具有主频的摇摆运动。这种由不稳定性导致的速度扰动是翼尖涡摇摆的内在机制，其不稳定性放大率控制着摇摆幅值的增长速率，而其横向速度扰动的方向性与周期性则决定了翼尖涡的摇摆特征。     

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。