仿生学翼型尾缘锯齿降噪机理

采用大涡模拟与声类比的方法研究了尾缘锯齿对翼型自噪声的影响。以SD2030翼型为研究对象,设计的尾缘锯齿幅值为10%弦长,周期为4%弦长。模拟了来流速度为31 m/s、0° 攻角下直尾缘翼型与锯齿尾缘翼型的流场,对应的基于弦长的雷诺数约为310 000。详细分析了尾缘锯齿对翼型尾缘湍流流场的影响,并通过FW-H方程计算大涡模拟提取的声源项,得到直尾缘翼型与锯齿尾缘翼型的声场。研究发现,锯齿尾缘可以明显降低翼型中低频范围内的噪声,在4 000 Hz以下,窄带噪声最多可降低约16 dB。但尾缘锯齿对翼型气动性能有着不利影响。进一步研究表明,该状态下翼型噪声主要由层流边界层引起的涡脱落噪声主导,尾缘锯齿可以抑制层流边界层引起的涡脱落现象,降低翼型升力脉动与尾缘附近的表面压力脉动,减弱尾缘处的低频湍流脉动与涡量,并有效降低尾缘附近涡的展向相关性,这些因素的综合作用使得翼型自噪声降低。     

大湍流度对超低雷诺数下翼型受力及绕流的影响

实验测量了超低雷诺数(Re=5 300)下 NACA 0012翼型在自由来流下的升力系数和阻力系数,重点研究来流的湍流度对升力系数和阻力系数的影响,并进一步通过对翼犁流场的研究揭示湍流度对翼型受力产生影响的机理.结果显示,低湍流度下升力系数和阻力系数均无失速特征;当湍流度提高,升力系数和阻力系数在12°～15°迎角下表...     

四涡系统构建及其特性的实验研究

飞机尾涡是与升力相关的固有流动现象,威胁着机场附近的飞行安全,同时也限制了机场使用效率。在矩形机翼翼尖以一定方式安装涡流发生器,产生与主涡旋向相反的小涡,来构建一种具有自我消散机制的四涡系统,能实现尾涡集中能力的快速消散。结合流动显示和粒子成像测速(PIV)测量,探索了在不同的参数匹配下,下游25个翼展范围内该四涡系统的空间发展过程、涡量发展曲线,以及45个翼展范围内主涡环量的衰减程度。实验结果表明,受小涡诱导,尾涡出现了相交不稳定性,主涡提前破裂,涡量随之降低。当小涡和主涡的初始环量比为-0.581、初始距离比为0.5时,45个翼展范围内,主涡环量衰减34.7%。该实验结果为低尾流机翼的设计提供了一定的参考。     

涡轮叶尖间隙泄漏涡不稳定性分析

结合Rains间隙泄漏涡模型和长波不稳定性理论,应用高雷诺数k-ε湍流模型加壁面函数,基于压力修正的三维计算流体力学程序,对某一轴流涡轮平面叶栅叶尖间隙流场进行仿真,通过将叶尖间隙泄漏涡与其在机匣表面镜像形成的虚拟泄漏涡组合成一对泄漏涡,对涡轮叶尖间隙泄漏涡的不稳定性进行了分析,并计算了五个不同叶尖间隙高度下泄漏涡的最不稳定的波长及对应的频率。结果表明,利用长波不稳定性理论可以预测叶尖泄漏涡的不稳定性和最不稳定的波长及对应的频率,从而为采用合成射流控制方法去控制涡轮叶尖泄漏涡提供理论基础。     

绕翼型低雷诺数流动的数值分析研究

分离泡的产生是绕翼型低雷诺数流动的一个重要特征,分离泡通常都是非定常的,会对整个流场产生极大的影响,由于分离附面层的不稳定性,很快诱发转捩,并产生湍流再附。文中通过求解雷诺平均N-S方程,数值模拟了绕Eppler387翼型的低雷诺数非定常流动,并对两方程SSTk-ω湍流模型,代数B-L模型和层流的计算结果作了比较。N-S方程和两方程湍流模型的控制方程非耦合求解,时间推进均采用近似因子方法(AF);空间离散无粘项采用ROE格式,粘性项用中心差分方法计算;计算非定常流场时,采用伪时间子迭代(τt-s)方法保证二阶时间精度,湍流模型计算时都是在固定点转捩。最后分析了转捩对低雷诺数流动的影响、分离泡的存在引起的流动不稳定性和周期性的脱出涡,数值计算给出的时间平均升力系数、阻力系数和压力分布与实验结果比较吻合。     

二维弹性圆柱涡致振动的尾涡模态

对均匀来流情况下Re数为200的二维单自由度弹性支撑圆柱涡致振动问题进行了数值模拟。采用时空有限元方法求解二维不可压N-S方程,利用新型显示积分方法求解圆柱振动方程,并用弹簧动网格技术实现网格更新。针对低折合阻尼比涡致振动,分析了不同圆柱自振频率下升力系数、阻力系数以及圆柱位移等参数的变化趋势,成功地捕捉了"锁定"、"拍"和"相位转换"等现象。讨论了圆柱脱落尾涡模态随时间的演变,观测到新的2P+2S尾涡模态,当圆柱振动幅值最大时,尾涡在下游不同位置可能出现2S、2P+2S和2P模态。     

旋成体非对称背涡特性及其形成机理的研究

本文对不同头部形状旋成体模型进行了低速风洞实验,揭示出它们不同的绕流现象和流动特性.尖锥旋成体两侧主分离线呈现为开式分离线,其分离剪切层在对称背涡中均表现为层流状态.而在非对称背涡中两侧表现为不同的剪切层状态,钝头旋成体绕流中存在头部的闭式分离区,两侧的主分离线在其下游,它的主分离剪切层从对称发展到非对称均呈现为湍流状态.通过对两类旋成体绕流结构的比较分析,得出尖锥旋成体的非对称背涡是由于两侧分离剪切层状态不对称引起的,而钝头旋成体则是由于旋成体背涡的动力不稳定性引起的.该机理分析的结论还得到测力结果的支持.     

雷诺数对涡轮叶尖流场影响的数值研究

采用基于压力修正的三维计算流体力学程序，结合雷诺应力湍流模型和剪切应力传输湍流模型加壁面函数的方法，对某一轴流涡轮转子叶尖间隙流场进行了数值计算研究，详细计算了不同涡轮叶尖间隙高度和来流湍流度条件下雷诺数对涡轮转子间隙流场的影响，最后计算了转子效率。结果表明：当泄漏流流经叶尖时因为叶尖剪切力做功有块总压增大区；雷诺数带来的影响比湍流度和叶尖间隙高度带来的影响要大，湍流度的变化对流场影响不大；雷诺数对泄漏涡尺寸的影响不大，但低雷诺数会引起流动分离，带来损失，当雷诺数在文中的范围内变化时，效率下降近八个百分点。     

升力面尾涡卷起的地面效应

本文就二维平板从理论上证明了改进涡格法的超收敛性。用该方法研究了近地升力面尾涡卷起的地面效应。尾涡面上的自由线涡方向应与当地流线方向一致,通过迭代满足这一非线性边界条件的确定尾涡的形状。地面效应以镜象涡系模拟。一系列计算结果表明迭代迅速收敛。本文讨论了升力面距地高度对尾涡位置和形状的影响,计算表明当该高度小于一定距离后,尾涡呈现不稳定。     

SA一方程湍流模型参数影响分析与辨识

SA(Spalart-Allmaras)一方程湍流模型是目前工程湍流计算中主要采用的湍流模型之一。首先,针对某典型战斗机的小攻角、中等攻角、大攻角流动工况,利用均匀试验设计方法分析SA一方程模型中8个参数取值对上述工况下飞机升力和阻力系数计算结果的影响规律;然后,建立工程湍流模型参数的辨识方法,并将其用于该战斗机大攻角工况下湍流模型参数cb1值的辨识调整。结果表明:不同工况下,湍流模型参数对计算结果的影响规律不同;在附着流状态下,对升力和阻力影响较大的参数是cv1和cb1;在中等攻角和较大攻角下,对升力和阻力影响较大的参数是cb1;适当减小参数cb1的取值后,升力和阻力系数的计算结果有较明显的改善,这可能与飞机大攻角分离流场中涡粘系数和剪切应力的发展与自由剪切流存在一定差异有关。     

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。      

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。      

俯仰振荡翼型推阻力转变滞后机制数值研究

扑翼产生的反卡门涡街被认为是一种推力型尾迹,但已有研究指出,随着斯特劳哈尔数(St)增大,低雷诺数下俯仰振荡翼型的净推力产生明显滞后于反卡门涡街的出现。为探究该现象背后的物理机制,对NACA0012翼型在雷诺数1000条件下作简谐俯仰运动的流场进行了数值模拟。采用翼型表面积分方法和基于有限控制体的气动力估计方法分别研究了翼面分布力特性和尾迹流场特性变化对阻力-推力转变临界点的影响。翼面分布力积分结果表明,当翼型振荡参数进入对应反卡门涡街尾迹形态区域时,翼面压力分布产生的推力分量无法克服剪切层的黏滞阻力,是造成俯仰翼型推力产生滞后于反卡门涡街出现的主要原因。对尾迹流场及相应的推阻力特性变化的分析表明,尽管反卡门涡街会产生“喷流效应”,但在St较小时,其产生的动量诱导推力无法克服反卡门涡自身的涡致阻力和尾迹流场压力损失引入的附加阻力,因此即使存在反卡门涡街也不能产生净推力,进而从流场分析的角度进一步解释了这一滞后现象的发生机制。     

涡破裂诱导的垂尾抖振气动弹性分析

通过试验方法分析了三角翼前缘分离涡与垂尾抖振之间的关系,深入研究了尾迹流动对垂尾抖振各阶模态的激励作用。计算得到了垂尾模型固有频率及各阶模态。在风洞试验中,应用激光片光烟流场显示技术,得到了三角翼模型在风速为30 m/s下,各迎角的涡结构;使用加速度传感器测量了垂尾翼根和翼梢的抖振响应;使用热线风速仪测量了垂尾翼根和翼梢位置的脉动速度分量。结果表明:前缘涡破裂后产生的高湍流度的尾迹是垂尾抖振的直接原因,抖振边界与涡破裂的强度和位置有关;涡破裂后尾迹与垂尾产生共振,使得抖振加速度响应频率与垂尾固有频率一致;涡破裂后,在较小迎角下,尾迹对垂尾的高频振动模态的激励较为明显,在较大迎角下,涡破裂流动对垂尾低频振动模态的激励加强了。     

复杂几何细节对增升装置气动性能影响研究

 采用数值模拟的方法研究了主翼翼根几何形状、翼吊发动机短舱、缝翼滑轨及襟翼滑轨舱等几何细节对增升装置气动性能的影响。研究结果表明:切割前缘缝翼时,将大部分翼根整流包留在主翼上会在大迎角下产生低能量的分离涡,造成增升装置气动性能显著恶化,而将大部分翼根整流包切割到前缘缝翼上,能破坏低能量分离涡的产生;大迎角下,短舱上表面、挂架表面及缝翼与挂架之间的间隙产生的分离气流会直接流到主翼上表面,形成大范围的死水区,因此,大尺寸的翼吊发动机短舱会造成增升装置失速迎角及最大升力系数的大幅减小,但安装在短舱适当位置、适当形状的涡流片产生的强漩涡能消除大部分的死水区,挽回部分气动性能损失;缝翼滑轨产生的低能量尾迹会混入主翼附面层,使其能量降低造成升力系数减小,极端情况下缝翼滑轨会直接诱发大范围的流动分离,造成增升装置气动性能的显著恶化;襟翼滑轨舱因其较大的几何尺寸会减小襟翼缝道的面积使得襟翼缝道射流加速,有利于吹走襟翼表面的物面分离。     

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。     

基于 LES 方法的增升装置气动噪声特性分析

在气动噪声数值计算中,流场的求解精度对涡流扰动的细节计算以及声学的求解结果有着重要的影响。本文应用 LES 方法对增升装置的流场进行数值模拟,采用可穿透积分面的 Ffcows Wil1iams-Hawkings(FW-H)积分方法进行远场噪声计算。采用圆柱绕流算例对本文的数值计算方法进行了验证,验证结果表明：本文所使用的LES 方法能准确地捕捉到涡脱落、流动分离等非定常流动现象,可为远场气动噪声的计算提供精确的近场流动的数值解;基于 FW-H 的声类比方法能够精确高效求解远场气动噪声。在此基础上,对增升装置噪声产生的流动特性、远场特性、风速影响等进行了数值模拟研究。结果表明：缝翼产生气动噪声的主要原因是,流动在缝翼和主翼之间的凹槽形成的不稳定波以及缝翼钝后缘的小脱落涡;襟翼产生气动噪声的主要原因是,襟翼附近由于流动分离产生的高频的小尺度不稳定涡和低频的大尺度涡。     

近地低速飞行时旋翼尾涡系的畸变及其诱导速度

本文用一简化自由涡模型模拟旋翼尾涡系,用一简单涡模拟地面涡,对近地低速飞行时旋翼尾涡系的畸变及其引起的诱导速度变化作了研究。在地面涡和地面的影响下,桨盘附近的尾涡几何位置发生很大变化,导致桨盘处的诱导速度发生很大变化。尾涡畸变在桨盘处引起的诱导速度变化远远大于地面涡和地面在桨盘处直接产生的诱导速度。考虑尾涡畸变后计算出的诱导速度在桨盘处的分布和实验符合很好。     

Experimental and computational investigation of hybrid formation flight for aerodynamic gain at transonic speed

The influence of the wing-tip vortex of leading aircraft on energy savings, quantified by formation aerodynamic force fraction of the following aircraft, is studied at transonic speed for a matrix of leading aircraft’s vortex locations. The research model adopts the hybrid formation of medium and large aircraft. The leading aircraft is scaled by 2.1%, and the following aircraft is scaled by 1.4%. An aerodynamic benefit “map” is developed to determine the optimum location of the following aircraft relative to the leading aircraft wake and to compare with experimental results, thus validating the use of CFD for the formation flight at cruising speed. The response surface model of aerodynamic gain effect relative to formation parameters is established via numerical calculation and wind tunnel test. The optimal formation parameters and the setting criteria of the study model are optimized. Results show that the wing-tip vortex of large aircraft significantly increases lift and reduces drag on the medium-sized aircraft following it. Reduced drag slightly increases with the flow direction position. With the increase of flow direction distance, the peak area moves from 15% of wing-tip overlap to 20% of overlap. In addition, the maximum drag decreases about 16%, and the maximum lift increases about 12%. The lift drag ratio of the optimal position is increased by 27%, which is twice as large as that of the same scale ratio aircraft formation. Results show that the increase of lift is mainly caused by the increase of suction peak and suction range.