Re数对细长旋成体非对称涡及气动力特性影响的实验研究

通过对细长拱柱旋成体大迎角绕流不同截面测压结果分析，探讨了绕流舶数对非对称涡结构和气动特性的影响，得出舶数不仅影响分离线位置和绕流流态结构，而且影响边界层的绕流特征及其分离涡的强度，非对称性的出现与细长体两侧边界层的绕流特征和分离涡的强度不等存在密切的关系。特别是在同种流态下，两侧边界层的绕流特征和分离涡强度不等是造成侧向力的主要原因；在两侧不同的流态下，转捩不对称是产生大侧向力的主要原因。     

大攻角非对称流动的非定常弱扰动控制

 研制了一种新的大攻角细长旋成体非对称涡的主动控制技术, 即在细长旋成体头部施加非定常弱扰动来控制头部非对称背涡。应用七孔探针测量的空间截面流场揭示了非定常控制下非对称涡变成对称涡的流态特征。测力试验研究结果表明该方法不仅能完全消除背涡的非对称性及其产生的侧向力, 并且有效控制攻角范围从30b直到80b。     

羊角涡结构及其特性

旋成体绕流中除了主涡系之外,在分离区发现一类由物面分离螺旋点发展而成的羊角涡结构.这类羊角涡出现频率很高,迎角范围约为25°～75°;它与旋成体背风区主涡系演化密切相关,伴随着非对称中高位涡脱体和低位涡展向跨越对称面而产生,是三维流动的结果.羊角涡结构虽小,涡强虽弱,但它通过主涡来体现它的气动力作用:在较小迎角下,从物面以tornado形状升起时通过涡量传输来改变同侧主涡涡量;在更大迎角时,通过干扰主涡促使主涡破裂.本文给出了物面螺旋点以至羊角涡的典型照片,分析了它的形成过程和形态特征.     

前体非对称涡流动临界雷诺数效应及分区特性

通过模型表面测压和油流显示,对旋成体于50°迎角在临界雷诺数区域(0.13×106~0.81×106)的压力分布和侧向力特性随雷诺数变化的演化规律进行了研究,结果表明,随着Re数从亚临界增加至临界区域,模型表面的低位涡侧首先出现层流分离气泡成为转捩分离(Tr),而高位涡侧仍处于亚临界层流分离(L),非对称更为显著,侧向力较亚临界区有所增加;随着雷诺数进一步增加,高位涡侧才成为转捩分离,此时非对称流动逐渐演变成对称流动,压力分布呈对称的平台状,侧向力明显减小,因此,通过流动分离前的压力恢复值作为判则,根据旋成体两侧边界层分别处于L/Tr和Tr/Tr状态,可将临界雷诺数区域划分为临界起始发展区和临界区。最后据此判则讨论了旋成体绕流沿轴向多种流态共存的现象。     

细长旋成体背风面非对称流场的DES模拟

利用脱体涡模拟DES方法对细长旋成体非对称绕流进行数值模拟,比较了基于S-A湍流模型的DES与RANS方法对背风面非对称分离涡的数值模拟能力,发现在大迎角非对称涡未破裂情况下,DES与RANS均能模拟出与实验相符的非对称绕流;当迎角增大,背风面非对称涡发生破裂时,RANS无法准确捕捉到背风面流场的非定常性,而DES能准确预测非对称涡的飘起与破裂,并与实验值接近。计算结果表明:与RANS方法相比,DES方法具有更好的模拟大攻角,大分离流动的能力,尤其在非对称流场的分离涡破裂模拟方面具有明显优势,能够更真实模拟出细长旋成体背风面分离涡破裂之后的非定常流动特征。     

细长体空间涡系的观测

本文用流态显示技术和空间总压测量,对于钝头和尖拱形头部两个细长旋成体模型在中等和大迎角状态的复杂背涡系进行了实验研究。侧重于“二次分离区”的流动观察和测量。实验表明:在中等迎角时细长体背风面上存在有一对二次涡,它们的旋转方向相反;靠外侧的一个涡尺度较大,其旋转方向与同侧主涡相同,当同侧主涡破裂时,它也发生破裂。随迎角进一步增加此涡呈现出从物面上间断地形成和脱落。     

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。     

用三维欧拉方程计算机身与机翼绕流

本文用Jameson的三维欧拉方程有限体积法、四步Runge-Kutta时间推进格式,计算机身和大后掠细长机翼的三维可压缩绕流。对钝头机身,用C-O型网格;尖头机身与大后掠细长机翼用H-O型网格。本文介绍钝头旋成体、带座舱前机身和三角翼绕流的计算结果,显示流场等值M线分布,计算压强系数分布与实验比较,以及三角翼大迎角分离涡等。由于用了隐式残值光顺等加速收敛措施,有效地减少推进步数,节省机时。     

细长翼身组合体前体非对称涡特性研究

通过低速和高速风洞试验对翼身组合体的前体非对称分离涡气动特性的研究，以及对旋成体非对称涡进行了大量的资料研究，结果表明：本专题所研制的细长翼身组合体的前体在较大迎角下有多个非对称涡；迎角、旋成体的外形，尤其是头部的几何形状是细长前体出现非对称涡的关键因素。     

大攻角细长旋成体非对称涡组合扰动控制的数值研究

使用数值模拟的方法,研究了采用三角扰动块加单孔位微吹气进行大攻角细长旋成体绕流非对称涡控制的组合扰动技术。结果表明,组合扰动可以实现旋成体侧向力的渐变控制。对流场结构的分析发现,组合扰动是通过改变旋成体头部流场涡结构从而实现了对整个非对称流场的控制,据此可以确定能实现侧向力控制的有效吹气孔周向位置。计算中还发现,吹气孔位于离顶部较远位置时,侧向力随吹气强度变化平缓易控制,但需以较大吹气强度为代价。     

三维钝体结构风压分布与绕流特性的大涡模拟研究

针对风场作用下三维钝体结构的绕流特性与空间风压分布特性,采用大涡模型对其进行了数值模拟研究,以平均风速和脉动风速作为入口边界条件,在稳态分析的基础上对9种不同来流方向的工况进行了瞬态动力分析,再现了钝体绕流的冲撞、分离、重附着等现象,揭示了钝体绕流主、次涡循环区的形成、发展机理,提出了空间风压场分布的一般规律。研究表明:钝体绕流对流场风速剖面影响的强弱程度依次为尾流区、屋顶区、来流区,且对中心区域流场风速剖面的影响要大于两侧流场,并由中心区域向两侧逐渐减小;来流区钝体绕流特性与空间风压分布特性较屋顶区和尾流区稳定,尾流区涡旋的非对称生成、脱落对钝体左右两侧流场的冲撞、分离、重附着等具有重要的影响;来流方向与钝体呈45°或135°夹角时,对尾流风场的影响范围最小,但随着来流方向逐渐垂直于钝体,尾流影响区域也逐渐增大。     

旋成体非对称涡Re数效应的分区性态研究

本文利用长细比为3.0的尖拱形头部,其后为圆柱段,整体长细比为6.0的旋成体模型在北京航空航天大学流体力学研究所D4低速风洞和西北工业大学翼型、叶栅重点实验室NF-3风洞中进行了大攻角非对称涡绕流的ReD数效应及其分区性态的实验研究,其ReD数变化范围是0.6×105～13.3×105.文内首先研究和详细讨论了不同ReD数下非对称涡性态的分区特性;其次,为了研究湍流分离下过临界非对称涡流动的性态及其ReD数效应,本文发展了利用粘贴转捩带或转捩丝的人工转捩实验技术;在此基础上详细研究了过临界ReD数下非对称涡流动的性态包括流动的确定性、头部扰动周向位置变化引起非对称涡的演化规律以及过临界区的Re数影响规律.     

头部钝度对大迎角非对称多涡流动特性的影响

在西北工业大学NF 3风洞通过表面测压和物面油流实验以及在北京航空航天大学1.2m水洞利用染色线显示和激光片光技术,对尖头和钝头拱形细长体大迎角绕流结构和气动特性进行了研究。结果表明,尖头拱形细长体在大迎角下(45°≤α≤60°)表现出非对称多涡的复杂涡系流动现象,相应的截面侧向力CZ沿轴向呈现出类似正弦曲线形式的减幅振荡,并且侧向力幅值较大(1相似文献   

细长旋成体大迎角绕流的背涡结构与压力脉动特性

在亚临界流动范围内,通过尖拱细长旋成体在无侧滑状态下的脉动压力测量,对大迎角下细长旋成体非对称背涡结构沿轴向的压力脉动特征进行了研究分析,揭示了压力的脉动幅度与频率沿旋成体轴向的变化规律及其与背涡结构之间的对应关系,并对压力脉动特征沿轴变化的原因进行了初步探讨.     

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。     

轴对称旋成体流动结构的数值研究

利用N-S方程模拟了旋成体的绕流过程。旋成体流场由不同层次的涡结构组成,包括主涡、二次涡t、ertiary涡、螺旋涡、羊角涡、U型马蹄涡。文中清晰地展示了这些结构,简要分析了各类结构的特性和功能,强调了亚结构和三维结构在流态发展与流场演变中的作用。     

大迎角细长体侧向力的比例控制

介绍了一种新的大迎角细长旋成体侧向力的比例控制技术。通过在细长旋成体头部施加非定常小扰动,可以对细长旋成体非对称背涡的非对称程度进行比例控制。风洞试验研究结果表明,该控制方法能以很小的能量输入将大小和方向随机变化的侧向力加以精确控制;不仅可以控制侧向力的方向,也可以连续改变侧向力的大小,使其变成有利于飞行控制的气动力和力矩,达到变不利为有利的目的。     

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。     

旋成体大迎角分离流的Euler方程数值模拟

用三维Euler方程计算旋成体的大迎角绕流,我们发现:亚声速自由流时,计算得到的是无分离流动,与实际的分离流不相符合,因而计算的法向力大大小于有分离的实验值;而当自由流为超声速,且横向自由流M数较高时,由于背风表面出现激波,无粘Euler方程的数值计算能自动捕捉到背风面上的分离涡,计算法向力与实验值接近。为了对亚声速自由流用Euler方程数值模拟大迎角旋成体背风面上分离涡,根据问题的物理图像,在假设的分离线上,提出强加Kutta条件的方法,成功地计算出有分离流动,使计算的法向力与实验值接近。     

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,...