飞行器操纵面嗡鸣风洞试验技术综述

操纵面嗡鸣是飞行器跨声速飞行时发生的气动弹性动不稳定现象。嗡鸣的发生，轻则降低飞行器操纵面效率，重则导致灾难性的飞行事故，是除颤振外飞行器设计部门重点关注的气动弹性难题。操纵面嗡鸣涉及激波与边界层的相互作用，目前尚没有准确预测嗡鸣的计算方法，通常采用风洞试验来获取相关数据。操纵面嗡鸣风洞试验可以利用风洞再现嗡鸣现象，研究嗡鸣特性，是飞行器研制阶段检验操纵面防嗡鸣设计最行之有效的手段。本文回顾了国内外操纵面嗡鸣风洞试验研究现状，梳理了操纵面嗡鸣的发生机理、触发条件及分型依据，对操纵面嗡鸣试验风洞选取、模型设计、试验方法提供了建议，对颤振试验中可能出现的嗡鸣问题提供了判别方法，对后续的工作进行了展望。     

加力燃烧室流场形态与振荡燃烧数值模拟

利用数值方法对发动机加力燃烧室内的流场形态和振荡燃烧进行模拟,获得流场平均参数及涡系结构,观察到燃烧室内火焰稳定器唇口附近剪切涡对选择模型的敏感性,发现火焰稳定器后的涡脱落和回流区的周期性变化是引起加力"蜂鸣"现象和振荡燃烧的重要因素,证明了Rayleigh准则在研究此类问题时的适用性.      

尾缘吹气式火焰稳定器试验研究

本文提出了一种新型火焰稳定器—尾缘吹气式火焰稳定器,它具有流线形头部,槽宽小,尾缘吹气并供油,不加力时流阻很小,加力时吹气扩大回流区,是一种机械与气动稳定结合的稳定器。对该稳定器进行了试验研究,得到流阻损失、贫熄边界、燃烧效率等性能的初步结果,表明该稳定器具有优越性,并有希望用于加力燃烧室。     

尾缘吹气式火焰稳定器燃烧性能研究

在初步试验研究的基础上,对尾缘吹气式稳定器进行了结构改进,并进行了燃烧性能试验研究。探讨了新型稳定器的贫熄特性,分析了尾缘吹气速度与供油量对燃烧性能的影响,比较了稳定器前方供油与稳定器内供油的不同供油方式下的燃烧性能,并和V型稳定器性能进行了对比。研究结果表明,新型稳定器是一种能稳定工作的可控高效低阻稳定器,在未来发动机加力尤其是外涵加力上具有应用前景。尾缘吹气并供油,改善了燃烧区燃油浓度分布。燃烧性能优于槽宽大1倍的V型稳定器。      

楔型稳定器的应用分析

楔型稳定器在结构上属于不对称的一般V型稳定器。对楔型稳定器分析论证和水流模拟试验验证,其结论为:楔型稳定器特别适合作为涡喷发动机加力燃烧室外圈稳定器。这是兼顾提高加力性能和降低加力燃烧段筒体壁温的良好措施。     

跨音速操纵面嗡鸣Hopf分叉分析及结构参数对嗡鸣特性影响的研究

采用Ｈｏｐｆ分叉分析方法,对跨音速操纵面嗡鸣问题进行了研究。用二维守恒型非定常Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ 方程计算了舵面振动时的非定常气动力,计算了出现Ｈｏｐｆ分叉的Ｍａ 数,研究了一些参数对嗡鸣的影响。将Ｈｏｐｆ分叉的计算结果与嗡鸣的时间历程计算做了对比,两者相当吻合,与飞行试验结果相比,也比较接近。     

跨声速嗡鸣诱发机理及其失稳参数研究

跨声速嗡鸣问题是现代飞行器设计和使用过程中的拦路虎,会造成操纵面的损坏或严重变形。目前嗡鸣研究的局限在于缺乏预测嗡鸣触发参数范围的有效方法,难以指导工程实践。本文通过基于ROM的气动弹性分析模型和CFD/CSD时域仿真方法,研究了三种类型嗡鸣的触发条件及其参数的物理意义。相关结果表明,三种嗡鸣本质都是亚稳定的流动模态和结构模态耦合诱发结构失稳。降阶模型进一步揭示嗡鸣的触发要求流动的稳定裕量足够低(往往在抖振边界附近),同时结构频率在开环伯德图的零极点频率之间。该研究有助于对嗡鸣物理更深入的理解以及提出新的嗡鸣抑制方法。     

径向冷却通道长度对气冷稳定器气动热力性能的影响

为了获得冷态下径向冷却通道长度对新型跨流式气冷稳定器气动热力性能的影响,基于Navier-Stokes方程,对在额定工况下5组不同径向冷却通道长度的该气冷稳定器模型进行了三维流固耦合传热数值模拟研究,得到了气冷稳定器外部流场、径向稳定器外壁面的冷却效率、加力燃烧室热混合效率和总压恢复系数的变化规律。在研究的参数范围内,结果表明:径向冷却通道长度的增加,首先,加强了气冷稳定器后的湍流掺混,使得回流区内湍动能极大值增加了24.3%;其次,会减弱径向稳定器近中心锥处的外壁面冷却效果,导致径向稳定器迎风侧外壁面平均冷却效率降低了14.4%;随着径向冷却通道长度的增加,加力燃烧室沿程热混合效率分布曲线随之向上移动;加力燃烧室沿程总压恢复系数分布曲线随之向下移动,加力燃烧室出口总压恢复系数下降了0.23%。     

三维加力燃烧室湍流流场的数值模拟

采用SIMPLE方法,对涡扇航空发动机加力燃烧室内无化学反应的湍流流场进行了数值模拟。该加力燃烧室带有波瓣型混合器,并有多个环形稳定器及径向稳定器。湍流模型采用kε双方程模型。湍流流场数值计算结果合理。     

凹腔驻涡与支板稳焰组合加力燃烧室模型冷态流场试验

利用粒子图像测速仪(PIV)对凹腔驻涡与支板稳焰组合加力燃烧室模型进行冷态流场测量,获得该加力燃烧室流场的变化规律和压力损失的变化情况.试验结果表明:随着偏转角(5°~17°)的增大,支板稳定器的整流效果变差,得到的流场的均匀性变差;随着进口马赫数(0.18~0.30)的增加,凹腔内旋涡结构变得完整,从凹腔出来的气流沿径向支板稳定器的穿透能力增加.气流在支板稳定器后形成了低速区回流区,随着进口马赫的增加,回流区的宽度有所增加;加力燃烧室的总压损失随进口马赫数的增加而增大,较常规V型稳定器的总压损失大.      

基于DMD方法的超声速进气道喘振特性分析

采用非定常数值仿真方法对典型超声速进气道的喘振现象进行了研究，并引入动力模态分解(DMD)方法对小喘和大喘流动特性进行了分析，获取了小喘及大喘的流场振荡特征，其中DMD得到的1阶模态反映了时均流场特征、2阶模态反映了主频振荡流场特性。在此基础上，针对小喘与大喘的相互关系进行了研究，结果表明:进气道内小喘流动包含大喘的流场振荡特性，小喘状态是进气道由不喘到大喘状态的中间状态，由小喘向大喘演化过程中，进气道内一些流动特征逐渐减弱并趋于稳定收敛，大喘的流场结构整体上比小喘状态更为稳定。      

两种跨声速气动弹性问题分析研究

在非结构运动网格基础上,采用中心有限体积法进行空间离散和双时间方法进行时间推进求解非定常欧拉方程.通过与气动力方程的联立求解,在时域内用四步龙格-库塔方法求解结构运动方程.分析和研究了二维嗡鸣和三维机翼颤振这两种跨声速非线性气动弹性问题.二维嗡鸣问题的研究考虑了翼面-舵面系统的缝隙间网格运动、缝隙对嗡鸣的影响和扰流片对嗡鸣的抑制.耦合多自由度Lagrange结构运动方程数值模拟了三维机翼的颤振问题.通过跨声速标模算例AGARD445.6机翼的颤振计算,计算的颤振临界速度与实验值有5%左右的误差,验证本方法的正确性.由于本方法是在对外形具有良好普适性的非结构动网格基础上完成的,具有良好的工程实践价值.     

二元高超声速进气道不起动状态的信号特征及预警

 对高超声速进气道的不起动进行了研究,首先给出了某二元高超声速进气道由起动到不起动全过程的壁面压强信号历程,并利用短时傅里叶变换(STFT)和小波变换(WT)方法对不起动过程中壁面压强信号的时-频特性进行了分析,然后采用累积和(CUSUM)和最大似然比(GLR)变化检测算法,对高超声速进气道的喘振现象进行了预测。研究结果表明,高超声速进气道喘振发生时,壁面压强信号的时-频特性存在显著改变,能量谱密度(PSD)分布出现了有规律的集中,其基频在200～340 Hz范围,并随着堵塞度(TR)的增加而增加。另外,在喘振发生前,进气道收敛段的下壁面附近存在大尺度的分离包,其有规律的尺度变化和前后移动导致了明显的壁面压强脉动特征,因此可作为一种前兆来预测喘振现象的出现。在本文条件下,两种变化检测算法均可在大喘发生前约220 ms发出警报,表明了该喘振预警思路的可行性。     

基于结构网格的操纵面嗡鸣数值研究

利用无限插值法生成结构化动网格,耦合求解欧拉方程与结构方程,分别模拟了二维带操纵面翼型以及三维NASP机翼周围跨音速流动。对二维带操纵面翼型嗡鸣发生时的流场进行了分析,发现操纵面上的激波后会产生巨大的分离区,且分离区的变化过程滞后于激波变化过程,认为缝隙的存在对嗡鸣发生有促进作用;对三维NASP机翼的研究发现操纵面质量比的增加可以延缓嗡鸣发展。     

轴对称超音速进气道喘振及其控制

本文介绍了双锥轴对称超音速进气道在来流M_∞=1.97、0°攻角下,几何喉道、中心锥体表面上静压脉动时间历程随流量系数的变化特征。在稳定的超临界和亚临界下,静压时间历程平稳;喘振时,静压脉动值很高,其ΔPr.m.s约为稳定的超临界下的几倍,压力脉动的主特征频率为43.75Hz。 本文的重点是研究轴对称超音速进气道在较大攻角下的喘振特征及其控制效果。进气道喘振时,中心锥背风侧的头波首先产生大振幅的激烈振荡,其压力脉动的主特征频率为18.75Hz,静压脉动的ΔPr.m.s约为迎风侧的二倍;而迎风侧的头波仅作较小振幅的振荡,静压脉动的主特征频率为20Hz,同背风侧的很接近。文中对比了喘振和由于吸除附面层消喘后的头波特征、中心锥体背风侧和迎风侧各自的静压脉动时间历程、静压脉动主特征频率的变化。指出消喘后的背风侧锥面静压ΔPr.m.s仅为喘振时的1/3;迎风侧的静压ΔPr.m.s仅为喘振时的1/2;文中最后对轴对称进气道在较大攻角下的喘振特征作了分析。     

跨声速操纵面嗡鸣的数值研究

我国的一些高速歼击机，在飞行中曾多次出现操纵面嗡鸣问题，它严重影响了飞机的性能和飞行安全，本文采用数值计算方法，对此问题做较深入的分析和研究。气动力计算采用Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，并采用ＬＵ－ＴＶＤ混合差分格式求解由此气动力解操纵面的弹性振动方程，求出现嗡鸣的Ｍ数及振动的频率、振幅等参数。计算中采用Ｂ－Ｌ代数湍流模型，网格生成采用代数方法及保角变换方法，文中讨论了隐式算法在非定常气动力计算     

滑流层对轴对称外压式进气道稳定性的影响

本文论述了在来流M1.72条件下,一个可变中心锥外压式进气道,强度为5～11％的六种滑流层在各种位置上进入唇口时对进气道稳定性的影响。 试验证明,强度低于10％的滑流层在唇口附近进入该轴对称进气道,并没有引起进气外罩内侧的附面层分离 强度直至11％的滑流层可以在进口处任意位置上进入该进气道,而不产生喘振。文献表明,强度仅为6～7％的滑流层就可以导致二元进气道的喘振,从而显示了轮对称进气道对滑流层进入所引起的喘振有较强的抵抗能力。     

二元外压式进气道斜板和唇口参数选择的风洞试验研究

在几何不可调的二元外压式斜板进气道的设计中，选择合理的斜板和唇口几何能数是最重要的问题之一。本文对一个设计马赫数为１．８的这类进气道的斜板和唇口参数进行了风洞试验研究。用缩尺模型风洞试验，对比分析了不同斜板角和不同外侧唇口内唇角，唇缘半径对进气道内流特性的影响，结果表明，对确定的进气道布局，斜板角小的变化对进气道超音速内流总压恢复系数，稳态出口流场周向畸变指数及喘振裕度的影响很大，唇口参数小的改变