双三角翼俯仰振荡运动的流场特性数值模拟

 建立了适用于双三角翼大迎角非定常分离流场模拟的数值方法,研究双三角翼俯仰振荡时的动态流场特性,给出动态流场结构和气动力性能随迎角的变化规律,重点考察了减缩频率、转轴位置、平均迎角和振幅等参数对动态流场迟滞效应和气动力曲线迟滞环的影响。研究结果表明:俯仰振荡到相同大迎角时上仰和下俯的流场存在明显差异;减缩频率对气动力迟滞效应的影响相对大于转轴位置;平均迎角的变化导致双三角翼背风区流场结构呈现不同流态,而振幅的大小决定这些流态的数目,事实上俯仰运动时如果跨越的流态数目越多则流场结构的动态响应滞后现象就越显著。通过数值分析,有利于提高对双三角翼在俯仰振荡运动条件下的非定常特性和流场滞后效应等非线性现象的认识。     

细长旋成体大迎角非定常运动数值研究

利用DES方法对处于非对称流态下的细长旋成体进行了俯仰和偏航振荡的数值模拟,观察细长体气动特性尤其是背风面非对称分离涡的变化。计算结果表明在大迎角非对称多涡系情况下,固定频率和振幅的非定常运动可以改变流场结构和气动力,对细长体背风面流态有巨大的影响。俯仰振荡对非对称分离涡有明显的控制作用,抑制流场的非对称性,使分离涡趋于对称;而固定频率的偏航振荡则破坏背风面分离涡的稳定性,激励非对称背涡产生随时间变化的周期性脱落。所进行的非定常运动与细长体流场耦合作用研究在国内外研究尚少。     

环量控制翼型气动力迟滞效应研究

为研究环量控制翼型在非定常运动中的气动力迟滞效应,通过求解环量控制翼型的强迫俯仰振动数值模拟数据,研究了不同减缩频率、振幅和射流动量系数对环量控制翼型气动特性的影响规律,分析了不同动量系数对非定常流场变化的作用机理。研究结果表明:减缩频率和迎角振幅越大,气动力迟滞效应越明显;小迎角下动量系数越大,迟滞效应越微弱,而大迎角下动量系数越大,迟滞效应越明显,并表现出提前动态失速的特征;气动力迟滞效应主要受翼型上表面压力分布影响,与后缘涡和上表面分离涡关系密切。所得结论对于环量控制技术在无人飞行器控制和操纵方面的应用具有一定的实际意义。     

考虑转捩影响的翼型动态失速数值模拟

用数值求解雷诺平均NS方程的方法来对考虑转捩影响的中低雷诺数下振荡翼型动态失速进行数值模拟,计算中采用了k-ω SST两方程湍流模式,并加入Chen-Thyson转捩模型来模拟流动中的转捩效应.采用该方法分别对雷诺数Re=1.35×105和Re=7.7×104情况下NACA0012翼型的动态失速进行了数值模拟.计算结果显示:计算出的翼型动态失速气动力系数迟滞曲线与实测结果符合较好;对于Re=7.7×104的工况,实测的升力系数迟滞曲线中出现了高频振荡,计算结果有效地捕捉到了这一流动现象,并通过分析瞬时流线的计算结果揭示出尾缘涡的涡脱落是引起该高频振荡的主要原因.此外,通过数值计算分析了中低雷诺数下减缩频率对升力系数迟滞曲线的影响,从结果中看到,随着减缩频率的增加,翼型的失速攻角值会增加,升力系数峰值会增加;当减缩频率减小时,升力系数曲线中的高频振荡频率会增加.通过进一步计算分析知,升力曲线中高频振荡的产生不仅取决于减缩频率,还取决于流动的雷诺数,只有在中低雷诺数、较小的减缩频率下翼型动态失速的升力迟滞曲线中才有可能出现高频振荡.     

大振幅下薄翼和流线型箱梁的气动迟滞研究

回顾了机翼和箱梁的气动迟滞效应研究现状,介绍了大振幅下获取薄翼和流线型箱梁自激气动力的风洞试验。研究结果表明：薄翼在超过失速角的振幅条件下,升力并没有出现明显的失速现象,但气动力的高阶谐波分量显著增加;大振幅条件下,流线型箱梁的气动力高阶谐波分量也比较显著,并以第2和第3阶谐波分量为主。此外,在大振幅条件下,流线型箱梁的气动力矩迟滞曲线可出现“8字环”,即气动力在一个振动周期内既做了正功也做了负功;其中,迟滞曲线“8字环”的气动正功部分随着振幅和折算风速的增大而增加。该现象可导致桥梁也出现类似于失速机翼的极限环震荡。最后,基于不同振幅下流线型箱梁的力矩迟滞曲线,简要讨论了大跨度桥梁在颤振后状态可能出现的振动形式和气动稳定性。     

三角翼作俯仰运动时水洞测力和流动显示实验研究

基于水洞中三角翼模型的动态测力和流动显示实验,讨论了俯仰运动的起始角、运动幅度和运动速率对三角翼俯仰运动时的气动特性和流动结构的影响。三角翼的气动力在俯仰运动中会产生“迟滞”或“过冲”现象。中等攻角以上,上仰运动推迟了三角翼的失速,大幅度增大了三角翼的升力系数。俯仰运动起始角和运动幅度的影响大小与其对应的静态三角翼流态有关,三角翼在涡破裂流态和完全分离流态之间作俯仰运动时,上仰时升力系数将始终高于下俯时的升力系数,运动中存在显著迟滞。迟滞的大小也受俯仰速率的影响。     

翼型动态失速等离子体流动控制试验

针对动态失速引起的翼型气动性能恶化的问题,利用小型化的激励电源和介质阻挡放电等离子体激励器,借助动态压力测量和外触发式粒子图像测速（PIV）等手段开展了翼型动态失速等离子体流动控制试验研究。结果表明,等离子体气动激励能够有效控制翼型动态失速,改善平均气动力,提高翼型气动效率,减小气动力随迎角变化的迟滞区域。等离子体诱导出前缘附近的贴体翼面涡,促进分离流再附;增加了上翼面0.2~0.4弦长区域的吸力,减小了升力系数功率谱密度（PSD）分布的二、三、四阶能量幅值,在研究工况下实现了平均升力系数增加7.1%、失速迎角推迟1.3°和迟滞区域减小4.5%的明显控制效果;4°~9°迎角段,等离子体使得翼型平均阻力系数减小40%。此外,振荡频率增加使翼型绕流的非定常性增强,较高雷诺数下的翼型动态分离涡更加难以被抑制,均需要增加等离子体激励强度才能达到较好的控制效果。     

振荡翼型非定常流动数值模拟研究

进一步完善了非定常雷诺平均N-S方程求解程序.并借助运动网格生成方法,对周期性俯仰运动下NACA0012翼型的非失速绕流和动态失速问题进行了数值模拟研究,分析了振荡翼型的迟滞效应以及俯仰运动各个参数对迟滞效应的影响.数值模拟结果与实验结果对比表明,本文发展的数值模拟方法在模拟非失速绕流时是可靠的;结果还表明,随着振幅、折合频率的增加迟滞效应增强,平均攻角对迟滞效应无影响;保持无量纲参数--振幅和折合频率的乘积--恒定时,迟滞效应相同.在模拟动态失速问题时.本文方法在深度失速下结果与实验符合较好,而在轻度失速下符合较差.经分析表明这是不同条件下非定常流动对湍流模型和转捩的敏感程度不同所致.     

非失速二维振荡叶栅非定常流动数值模拟研究

进一步完善了非定常雷诺平均N-S方程求解程序,借助快速网格生成方法,对周期性俯仰运动下NACA0012叶栅的非失速绕流问题进行了数值模拟研究,并分析了振荡叶栅的迟滞效应以及俯仰运动各个参数对迟滞效应的影响.数值模拟结果与实验结果对比表明,本文发展的数值模拟方法是可靠的;结果还表明,随着振幅,折合频率的增加迟滞效应增强,平均攻角对迟滞效应无影响;保持无量纲参数--振幅和折合频率的乘积--恒定时,迟滞效应相同.     

旋翼翼型非定常动态失速特性的CFD模拟及参数分析

构建了一套基于运动嵌套网格技术和可压缩RANS方程的旋翼翼型非定常流动特性模拟的高效、高精度的CFD方法。首先,发展了基于Poisson方程求解的围绕翼型的粘性贴体正交网格生成方法,并提出了基于最小距离法(MDM)改进策略的运动嵌套网格生成方法,克服了弹簧法可能导致网格畸变的不足;其次,为准确模拟由湍流分离和气流再附引起的气动力的迟滞效应,基于RANS方程、双时间方法和高阶插值格式,建立了旋翼翼型非定常气动特性分析的高精度数值方法,并采用能够较好捕捉气流分离现象的S-A湍流模型;再次,针对旋翼后行桨叶动态失速时桨叶剖面来流速度较低、迎角较大的特点,为解决低来流速度时L-B半经验模型在旋翼翼型非定常动态失速计算中的局限性,并克服可压缩方程对低速流场计算收敛困难和精度低的问题,建立了基于Pletcher-Chen低速预处理方法、FAS多重网格法和隐式LU-SGS方法相结合的高效数值方法。应用发展的方法,分别针对NACA0012、SC1095旋翼翼型静态和轻度、深度动态失速进行计算,精确捕捉了气动力迟滞效应以及翼型前缘脱体涡的产生、对流和脱落过程,验证了本文方法的有效性;最后,着重针对NACA0012动态失速状态,开展了振荡参数对旋翼翼型非定常动态失速特性影响的分析,研究结果表明翼型迎角平均值、振幅及减缩频率的变化均能引起迟滞效应的改变并使得气动力峰值发生有规律的前、后移现象等。     

Unstable unsteady aerodynamic modeling based on least squares support vector machines with general excitation

Common, unsteady aerodynamic modeling methods usually use wind tunnel test data from forced vibration tests to predict stable hysteresis loop. However, these methods ignore the initial unstable process of entering the hysteresis loop that exists in the actual maneuvering process of the aircraft. Here, an excitation input suitable for nonlinear system identification is introduced to model unsteady aerodynamic forces with any motion in the amplitude and frequency ranges based on the Least Squares Support Vector Machines (LS-SVMs). In the selection of the input form, avoiding the use of reduced frequency as a parameter makes the model more universal. After model training is completed, the method is applied to predict the lift coefficient, drag coefficient and pitching moment coefficient of the RAE2822 airfoil, in sine and sweep motions under the conditions of plunging and pitching at Mach number 0.8. The predicted results of the initial unstable process and the final stable process are in close agreement with the Computational Fluid Dynamics (CFD) data, demonstrating the feasibility of the model for nonlinear unsteady aerodynamics modeling and the effectiveness of the input design approach.     

基于CFD/CSD紧耦合的旋翼翼型气弹分析

采用CFD/CSD（计算流体力学/计算结构力学）紧耦合的方法,以Fluent软件作为主控平台,通过UDF（用户自定义函数）及I/O（输入/输出）文件读写的方式实现结构响应和气动载荷的数据交换,耦合求解了旋翼桨叶剖面的气动力和振动响应.在此基础上研究旋翼桨叶剖面在变距、沉降（挥舞）和周期交变来流条件下的气动特性和振动响应特性.结果表明:桨叶剖面在轻失速情况下,气动载荷周期性比较好,表现出光滑的迟滞环曲线,结构沉降响应也表现出光滑的周期性现象,扭转响应出现局部轻微振荡.深失速情况下,气动载荷及结构响应都表现出强烈的非线性振荡,高频成分较为明显.      

非稳定动态过程非定常气动力建模

现有的大迎角非定常气动力建模方法，通常是以一个或多个频率的稳定振动试验数据来预测稳定滞环。然而，飞机快速机动如过失速机动的过程，不可能是持续的稳定振动，而是一个非稳定的动态过程。因此，这个过程中的气动力不会达到稳定滞环，而是始终处于进入滞环的初始非稳定过程中。基于振动理论分析得出，非定常气动力的动态响应过程存在非稳定和稳定两个阶段，传统建模方法着眼于稳定阶段，而飞机的真实机动过程在非稳定阶段。设计了一种适于非线性系统辨识的激励输入，并以最小二乘支持向量机（LS-SVM）方法为例，实现了在大迎角区幅值和频率范围内任意运动的非定常气动力建模。模型训练完成后，用来预测某机翼在不同基准状态下大迎角范围内做俯仰运动时的升力系数、阻力系数和俯仰力矩系数。结果表明，不仅稳定滞环实现了准确预测，进入滞环的初始非稳定过程也得到了准确预测；此外，基准状态对气动力在初始非稳定过程中的特性存在明显影响。进一步的验证还表明，基于稳定滞环数据只能预测到稳定滞环，无法预测进入滞环的非稳定过程。     

翼型动态特性数值模拟及其影响因素分析

采用非结构动网格技术模拟了NACA 0012翼型绕1/4弦长位置俯仰的强迫振荡过程,验证了翼型的周期性动态气动特性。分析了不同的湍流模型、单周期内步数和内迭代次数等因素对计算结果的影响;研究了马赫数和减缩频率对动态气动迟滞特性的影响。结果表明, Transtion SST模型得到的结果更准确;单周期内计算步数大于200时,计算结果收敛性更好;随着马赫数变大,迟滞效应先增大后减小;在亚音速区,迟滞环沿逆时针方向,动导数小于零,模型动稳定;而在跨音速区,迟滞环沿顺时针方向,动导数大于零,模型动不稳定;减缩频率越大,翼型动态迟滞效应越明显。     

飞行器自激振荡的流动物理与动力学机制

全局亚迭代耦合求解流体动力学方程和刚体动力学方程,研究轴对称飞行器单自由度俯仰失稳运动的非定常特征.高超音速锥-柱-裙飞行器的单自由度俯仰失稳运动发展为极限环形式,周期性运动伴随着波系结构的非定常变化;自激振荡源于静稳定构型的振动回复机制和尾裙激波流动迟滞效应所构成的阻尼机制.基于第二拉格朗日方程和虚功原理,导出能够描述迟滞现象的参数化非线性动力学模型.多尺度近似分析获得参数化运动特征:自激振动过程是拟简谐运动;静稳定构型才能出现自激振荡周期运动;平衡点阻尼是决定运动稳定特性的分叉参数;振幅特性与阻尼非线性相关,频率特性与刚度非线性相关.基于数值结果的参数辨识,非线性模型的理论分析、重构都与数值结果高度一致,从而有效地佐证了自激振荡建模研究的合理性.     

双旋翼微型飞行器的非定常气动特性

发展了一种基于计算流体力学(CFD)的非定常气动特性预测方法,计算方法包括了动量源模型、预处理方法、非结构嵌套网格和Spalart-Allmaras(S-A)湍流模型等技术.通过计算悬停Caradonna-Tung算例和俯仰振荡NACA0012算例,验证了计算方法模拟双旋翼微型飞行器动态流场的有效性.数值模拟了双旋翼微型飞行器动态流场,给出了非定常气动系数的迟滞曲线,分析了缩减频率、前飞速度和螺旋桨转速对非定常气动特性的影响.计算结果表明:力矩系数迟滞效应随缩减频率、前飞速度和螺旋桨转速增大而增大,升力系数迟滞效应随缩减频率和前飞速度增大而增大,但基本不随螺旋桨转速变化而变化.      

细长旋成体大迎角俯仰振荡的数值研究

为研究俯仰振荡对细长旋成体流场与气动特性的影响,利用雷诺平均方法与大涡模拟的混合方法相结合的脱体涡模拟方法对大迎角下细长旋成体俯仰运动进行了数值模拟研究。通过对背风面分离涡的强度和位置、细长体绕流形态、截面压强系数和侧向力系数的观察和分析,发现施加小振幅、特定频率的俯仰振荡对大迎角细长旋成体背风面流场有明显的控制能力,...     

座舱盖抛放过程中的非定常气动特性研究

通过对N-S方程的数值求解模拟了座舱盖在静止和旋转两种状态下的气动力分布,分析了来流马赫数、旋转角速度以及迎角对气动系数的影响,研究了座舱盖自由抛放过程的非定常效应,并最终建立了预测座舱盖自由抛放过程气动系数的气动系数图。计算表明:(1)非定常效应是影响抛放过程座舱盖气动力分布的主要因素;(2)外形左右对称的座舱盖,均有非定常气动系数平均值与无量纲角速度成线性关系的规律,而且变化斜率几乎与舱盖形状尺寸等无关。