圆锥高超声速湍流边界层转捩试验研究

主要介绍了一种用于高超声速湍流边界层表面参数测量的试验方法,利用边界层的表面热流值,作为判断边界层转捩与否的依据,开展边界层攻角效应转捩特性试验研究.试验在我院FD-20炮风洞中进行,马赫数为6,试验模型是半锥度5°的圆锥模型.开展了对于圆锥模型,头部半径对转捩位置的影响,小攻角情况下对圆锥模型转捩位置的影响,并且获得了在2°和3°攻角情况下圆锥模型的攻角效应转捩全局曲线.试验结果证实了,在小攻角下,随着攻角的增加,边界层迎风面转捩位置向后移动,背风面转捩位置向前移动.     

壁面小折角对马赫数4.5边界层中扰动演化的影响

为了利用e N方法预测带小折角平板边界层的转捩,采用数值模拟和流动稳定性方法研究来流马赫数为4.5,扩张角和压缩角分别为1°、2°、3°的高超声速边界层中扰动的演化,得到不同角度下不同频率的扰动波沿流向的幅值及增长率分布。并对工程中常用的预测带小折角平板转捩位置的e N方法进行验证分析,指出采用e N方法预测带小折角平板转捩时需要对N值进行修正的概念。     

非设计状态下尾迹输运对高负荷低压涡轮附面层的影响

为了研究非设计状态下的上游尾迹在叶栅通道内的形态演化与发展,分析尾迹与叶片吸力面附面层的相互作用,基于高负荷低压涡轮(LPT)叶型Packb对非设计状态下尾迹输运进行了研究。研究主要通过数值模拟的方法进行,使用CFX软件,利用LES模型耦合Smagorinsky亚格子模型。讨论了非定常来流0°和+10°攻角工况下,尾迹与吸力面附面层相互作用的差异。分析发现,+10°攻角工况时,尾迹对附面层转捩的促进作用较0°攻角工况时更为显著;+10°攻角工况时,尾迹与附面层的相互作用时间更长,尾迹诱导转捩的起始位置更靠上游。     

高超声速边界层的转捩问题

取40km高空处的气体参数,对来流马赫数为8、10和12等三种不同情况的平板边界层和楔角为20°的楔型体边界层,做了转捩发生位置的预测。所用方法为改进的eN方法。结果发现,壁面条件对是第一还是第二模态波决定转捩位置有很大关系。如对于传统的eN方法,如果取N为10作为转捩判断标准,对马赫数为12的楔体边界层,等温壁条件下由第二模态波决定的转捩位置距前缘13m左右,而平板边界层中两模态波所决定的转捩位置距前缘均超过50m。而采用改进的eN方法,平板边界层中两模态波所决定的转捩位置距前缘均超过10m,而对马赫数为12的楔体边界层,两模态波所决定的转捩位置距前缘均出现小于5m的情况。     

前缘形状对涡轮叶栅损失影响的机理

通过改变前缘几何形状来分析其在设计攻角、非设计攻角下前缘附近的流动机理.研究结果表明:在宽工况范围内椭圆型前缘表现出了较优越的性能,不但在设计攻角下能很好抑制吸力峰的强度以避免前缘分离泡的产生,而且在较宽的攻角范围内都能保证前缘附近边界层状态基本不变.当正攻角很大时,不同前缘形状前缘附近都会出现分离泡,且会诱导边界层发生转捩,但椭圆型前缘边界层开始发生转捩的攻角会向大攻角方向移动.在20°攻角下,椭圆型前缘叶型的损失相比基准叶型下降了7%左右.进口湍流度的增加不会改变吸力峰的强度但可以减弱前缘分离泡的强度.     

超声速小攻角下的圆锥转捩攻角效应

采用高阶差分格式求解三维可压缩滤波Navier-Stokes方程,对超声速零攻角和小攻角圆锥边界层转捩进行了空间大涡模拟研究.在三维Tollmien-Schlichting(T-S)波扰动作用下,计算得到了流场非定常转捩过程.计算结果清晰地展现了非定常大尺度结构演化特征和攻角效应引起的非对称转捩现象,流场发卡涡、横流涡等转捩主控大尺度结构与实验一致.     

MF-1模型飞行试验转捩结果初步分析

中国空气动力研究与发展中心于2015年12月在中国酒泉卫星发射中心成功实施了MF-1航天模型飞行试验,试验模型为锥-柱-裙轴对称体,半锥角为7°。这是我国首次针对高超声速空气动力学基础问题研究的航天模型飞行试验,飞行最大马赫数5.3、最大高度63.4km,飞行迎角上升段0.5°、下降段5°。采用薄壁测温技术测量了锥面上50个点的温度数据,并采用三维热辨识方法给出了热流数据,从而判别转捩。初步分析表明,所获取的真实飞行条件下的上升段和下降段的转捩数据是可靠的,可用于验证与标定转捩预测模型;同时验证了现有转捩预测模型对于超声速/高超声速小攻角圆锥转捩起始点预测的可行性;发现了上升段湍流-层流的再层流化与下降段层流-湍流转捩的临界高度差别,以及约0.2mm的阶差即有可能诱发强制转捩。     

三维进气道湍流流场数值模拟

结合实验数据,采用有限容积法,对超音速S形进气道三维湍流流场进行了数值模拟,分析了0°攻角、10°攻角、10°侧滑角三种工况下机头激波对入口气流的影响、进气道入口激波分布和进气道出口压力分布情况.计算结果表明:0°攻角和10°攻角时,机头激波对入口气流影响不大,出口气流总压分布相对均匀,且高压区面积较大;而10°侧滑角时,受机头激波的影响,进气道前方出现小范围的低压区,且出口气流低压区较大.     

正攻角状态下尾迹对低压涡轮附面层的渗透及转捩的影响

为研究正攻角状态下尾迹对低压涡轮附面层的渗透以及转捩过程的影响,分别在设计攻角和+10°攻角下,对高负荷低压涡轮叶型的吸力面附面层流动进行了数值模拟与实验。数值模拟使用CFX软件,采用大涡模拟模型。结果表明+10°攻角下,尾迹对附面层转捩过程的促进作用比设计攻角下更为显著,这是由于正攻角下的尾迹中心射流与吸力面切向的夹角更大,使得尾迹扰动渗透入附面层的深度更深,尾迹放大Klebanoff条纹强度更强,尾迹诱导转捩起始位置更靠上游。     

一种基于湍流模式的转捩预测方法

通过对平板边界层进行计算分析,基于湍流模式来预测流动转捩是可行的,但预测出的转捩位置不准,比实际情况靠前。因此,本文从转捩流动的物理特征出发对湍流模式中的混合尺度作出了修正,提出了一种考虑间歇函数影响的k-ωSST两方程湍流模式。采用该模式来对平板湍流边界层和不同攻角下的NACA0012翼型绕流进行了转捩预测,计算结果表明,改进后的模式对转捩位置具有较好的预测能力。     

褶皱结构对蜻蜓后翅的气动特性影响分析

褶皱结构是否能对蜻蜓后翅气动性能产生正面的影响,对蜻蜓后翅气动性能的影响是否与雷诺数(Re)相关。建立接近真实蜻蜓后翅的三维蜻蜓后翅褶皱模型和拥有同样外形的三维平板模型,利用计算流体力学方法分别计算两个模型在不同Re、不同攻角(α)下滑翔飞行时的气动特性。结果表明:褶皱结构的存在会明显提高蜻蜓后翅的升力,但是同时也会增大其阻力;不同Re情况下,褶皱结构对蜻蜓后翅气动性能的影响不同,当Re=1 000,α=0°～25°时,蜻蜓后翅的气动效能始终略优于三维平板;褶皱结构对蜻蜓后翅气动特性的影响与α也相关,α较大时蜻蜓后翅的气动效能略优于三维平板。     

单次扫描空间推进算法在高超声速流动中的适用性研究

通过高超声速流动的三个典型算例,研究单次扫描空间推进(SSPNS)算法计算高超声速流场气动力、气动热的精度以及适用范围.结果表明:①在楔角不大于15°,流动无流向分离的情形下,用SSPNS算法计算压缩楔板流动是可行的;②对绕圆锥流动的计算表明,SSPNS算法对横向分离的模拟是值得信赖的;③对于12°攻角以内的小攻角绕翼流动,SSPNS算法的精度与时间迭代法基本一致;④空间推进法计算速度较时间迭代CFD(计算流体动力学)方法提高1～2个数量级.      

一级锥可调变几何轴对称进气道初步研究

为了改善轴对称进气道的攻角特性,提出一种简单易实现的轴对称变几何方法:通过旋转轴对称进气道第1级压缩锥改变进气道前体激波的角度和位置.采用数值仿真方法研究了来流马赫数为3和4时,不同飞行攻角条件下一级锥可调变几何进气道的三维流场和性能特性,并与定几何进气道进行对比分析.结果表明:大攻角下,采用一级锥可调进气道除了可以提高进气道的质量流量系数外,还有效缓解了背风侧低能流堆积问题;存在一个最佳的旋转角度,使该攻角下进气道性能最高;随着攻角的增大,所需的旋转角度增大,进气道所获得的性能增益也随之提高,在马赫数为3,攻角为14°时推力增益达到7.7%.      

一种鼻锥钝化高超声速轴对称进气道流动特性实验

前缘钝化尺度是高超声速进气道设计中的关键参数。针对一种前体锥加弯曲压缩面的高超声速轴对称进气道,选取最大尺度为3.2mm(5%唇缘半径)的几种典型鼻锥钝化半径,在马赫数Ma=6来流,及模型安装攻角为0°、4°、7°的条件下开展鼻锥钝化尺度对进气道流动性能影响的实验研究。采用纹影拍摄及压力测量记录各来流条件下进气道前体流场结构及壁面压强分布,并在无攻角来流条件下利用微型扰流器进行边界层强制转捩研究。结果表明,对无攻角来流而言,即使是尺度高达3.2mm的钝化半径对进气道前体流场结构及壁面静压分布也基本没有影响。此来流条件下,几种不同鼻锥钝化半径的前体压缩面均出现小范围流动分离,而添加扰流器后该分离区均消失。钝化尺度的影响随着攻角的增加而显现,尽管不同鼻锥钝化尺度下迎风面流场及壁面压强分布几乎没有差别,但背风面随钝化尺度增大表现为边界层明显增厚、流动趋于不稳定。其中最大钝化尺度R=3.2mm的构型在4°攻角来流时背风面即出现明显的分离区,而7°攻角来流时背风面更是出现大范围流动分离、进气道背风侧不起动,并导致进气道内部壁面压强显著下降。     

咽式进气道设计工况下性能初步分析

介绍了三维内收缩高超声速咽式进气道的设计方法,开发了相应的设计程序.在高度为30 km,设计马赫数为5和攻角为0°工况下进行设计,使用CFD模拟技术,对设计方法和程序进行了验证.最后采用设计程序,考虑咽式进气道的设计参数,即流线追踪出口形状、基准流场压缩角和设计马赫数等,对比分析了其对咽式进气道设计工况下几何与气动性能的影响.结果表明:矩形出口宽高比接近2时,总长、润周面积等几何性能相比较小宽高比时更好.初步设计可以将压缩角配置在8°~12°范围内,且后压缩角小于前压缩角.      

翘曲端壁对大折转角压气机叶栅流动的影响

研究了翘曲端壁对大折转角压气机叶栅流动的影响.结果表明:翘曲最高点位于压力面时效果较好,翘曲高度为2%叶高时出口总压损失下降约5.8%;而翘曲最高点位于压力面与吸力面之间时效果则不理想;翘曲高度为5%叶高、翘曲最高点距压力面为0.25倍节距时出口总压损失增加约3.4%,此时端壁附近压力梯度呈先顺后逆变化,低能流体由压力面端区迁移至10%叶高处与吸力面附近低能流体汇合,增加了流道内二次流强度;当来流攻角不为零时,下端壁翘曲所构造的反向压差对于减小二次流强度、降低出口总压损失的效果仍比较明显,+3°攻角下出口总压损失减小约5.6%,-3°攻角下出口总压损失减小约3.5%,但同时其导致的负荷沿径向重新分配也将使得上端壁附近流动状况也发生改变.      

等离子体气动激励抑制机翼失速分离的实验

进行了等离子体气动激励抑制机翼失速分离的风洞实验,研究了等离子体气动激励频率、电压、占空比和激励位置等对流动控制效果的影响.研究表明:在来流速度35m/s时,等离子体气动激励可以有效地抑制机翼大攻角下吸力面的流动分离,将机翼临界失速迎角由17°提高到19°;施加激励后,机翼最大升力系数提高了9.45%,阻力系数减小20.9%;激励频率在200Hz时,控制效果最好,对应的量纲一激励频率为1;迎角越大,流动分离越严重,需要更大的激励电压才能够有效抑制流动分离;最佳激励位置在流动分离起始点的前缘;在流动控制效果相当时,减小占空比可以降低能耗.      

民用飞机侧滑角传感器安装位置数值研究

侧滑角传感器的安装位置会影响当地侧滑角测量的准确性,并且其尾迹涡可能会影响到布置在机头两侧其他传感器,因而研究侧滑角传感器的安装定位对民用飞机的操控特性和安全性有着重要意义。采用基于非结构网格的计算流体力学(computational fluid dynamic,简称CFD)数值模拟方法研究了侧滑角传感器安装位置对机头附近当地侧滑角和对当地攻角的影响。计算构型分别为全机干净机身构型和全机干净机身加上安装在机头上两组不同位置分布的侧滑角传感器构型。计算工况为来流马赫数0.85,来流攻角±2°,干净构型的来流侧滑角为0°～20°,传感器构型来流侧滑角0°和10°。对三种构型的流场、机头偏移面处当地侧滑角、当地攻角分布和无量纲涡量分布进行了分析比较,得到侧滑角传感器处当地侧滑角随来流侧滑角的变化规律,以及侧滑角传感器的尾迹影响区域及其对机头两侧当地攻角分布的影响,并给出了侧滑角传感器尾迹影响下机头两侧攻角传感器的合理布置区域。     

分布式动力系统尾缘射流与边界层抽吸的数值分析

为研究带有边界层抽吸的分布式动力系统尾缘射流对机身气动性能及推进效率的影响,将机身简化为二维翼型,并加入尾缘射流及边界层抽吸的作用,利用数值模拟的手段来研究来流攻角、射流偏转角、边界层抽吸对推进效率及气动性能的影响,为分布式动力系统的设计与应用提供初步的建议.结果表明在中、小来流攻角(2°及0.6°)的情况下尾缘射流及边界层抽吸能够提高升阻比,推进效率可超过80%;而在大来流攻角(4°)情况下射流偏转角增大使翼型的阻力大幅上升,对气动性能和推进效率产生极为不利的影响.