低雷诺数下柔性薄板涡激振动流固耦合特性研究

柔性薄板的流固耦合特性研究在航空及能源动力领域具有广泛的应用背景,特别是在上游流体出现脉动的情况下,将引发薄板周期性振动,这种规律性的结构振动反过来又会改变其尾流的泻涡释放形态。本文基于非定常流动和柔性薄板振动理论,建立了柔性薄板的流固耦合特性研究模型,并得到了薄板的振动特性以及平板周围流场的非定常流动特性。结果表明：随着流体雷诺数的不同,柔性薄板的振动情况有明显的差异,当激振力的频率与柔性薄板固有频率一致时,会出现共振现象,柔性薄板振动对涡的形成产生抑制,保持薄板的附着流,延迟分离;当薄板的最大弹性回复力低于流体激振力时,薄板出现无规律的随机振动变形。     

推力耦合的高超声速飞行器气动伺服弹性研究

对于采用吸气式超燃冲压发动机的高超声速飞行器,其发动机推力可能与机身弹性发生耦合影响,从而引起所谓的推力耦合气动伺服弹性(ASE)问题。为对其耦合原理及影响进行研究,以简化的飞行器纵向模型为对象,考虑结构弹性、非定常气动力、冲压发动机以及控制系统之间的相互耦合作用,建立了推力耦合的高超声速飞行器气动伺服弹性问题的一般建模框架和分析流程。采用牛顿冲击理论计算高超声速非定常气动力,基于准一维流动假设分析发动机性能。算例结果表明,考虑发动机推力的耦合影响后,飞行器的短周期特性和气动伺服弹性特性均有明显改变,气动伺服弹性稳定裕度下降可达16%,应当引起飞行控制系统设计部门的重视。     

基于速度分裂法的翼型阵风响应及减缓数值模拟

国内现阶段飞行器阵风响应CFD模拟通常采用网格速度法（FVM）,而近年提出的更为准确的速度分裂法（SVM）目前主要针对刚性飞行器阵风响应分析。本文将SVM拓展至弹性翼型的One-Minus-Cosine阵风响应计算和减缓研究。基于动态网格系统非定常Navier-Stokes方程,将阵风条件下的速度场分解为阵风速度与背景速度的叠加,理论推导出SVM阵风模拟控制方程,结果表明,FVM是SVM忽略源项后的一种近似方法。进一步建立起弹性翼型阵风响应预测的CFD/CSD时域耦合算法和基于俯仰控制的阵风响应减缓数值模拟方法。算例分析了NACA0012刚性及弹性翼型的One-Minus-Cosine阵风响应,计算结果与文献数据一致,在此基础上分析了阵风尺度、黏性和结构弹性对阵风响应的影响。开展了NACA64A010弹性翼型One-Minus-Cosine阵风减缓模拟,结果表明：单一的沉浮速度控制输入量更有利于减缓阵风载荷峰值,而沉浮速度、俯仰角相结合的控制输入量则能同时减缓翼型的沉浮和俯仰运动。本文工作可为三维飞行器阵风响应和减缓研究提供参考。     

大厚度翼型分离流场的稳定性探讨

基于k-ω的SST两方程湍流模型,求解了雷诺平均Navier-Stokes方程获得定常和非定常气动力,耦合翼型弹性振动方程,在时间域内模拟了弹性支撑下的大厚度对称翼型流场及其翼型动态过程,研究结果发现：在所给定的雷诺数条件下,弹性支撑下的大厚度翼型在一定大迎角范围内存在分离流场稳态的转化现象,此结果的意义在于：1）同一基本迎角下的翼型分离涡存在多个稳态流场;2）弹性支撑的翼型在大迎角分离流条件下气动力在物理上本身就存在非唯一性,从一个新的角度解释了大迎角气动力测量中的分散性。     

跨声速扩压器弹性壁板流固耦合振动研究

冲压发动机进气道扩压段局部结构弹性较大时,壁板振动与跨声速非定常流动相互耦合,影响进气道整体性能。基于流固耦合方法,研究了扩压器内跨声速流动与局部弹性壁板的耦合作用,分析了结构阻尼对扩压器流固耦合振动特性的影响规律。结果表明,通过调整弹性壁板阻尼可以削弱和抑制正激波自激振荡引起的扩压器壁板流固耦合振动。无阻尼弹性壁板中点无量纲振动幅值为0.37。给定刚度等效阻尼系数1×10-5时振幅下降至0.22;增加阻尼系数至4×10-5时,扩压器壁板流固耦合振动消失,进入静平衡状态。     

大迎角下翼型振动的气动性能研究

众所周知,风洞试验中的飞机模型,尤其是带有大展弦比机翼的模型有时会出现翼梢振动现象,振动模式主要表现为翼梢沉浮和俯仰形式,以致影响实验结果的精度和可靠性。选取相对厚度较小的NACA0008翼型,在求解非定常Navier-Stokes方程的基础上,采用改进的无限插值理论和绕翼型的C型网格,模拟风洞实验中模型振动条件下的流场,研究振动模式及其不同耦合对流场、尤其是大迎角流场的影响,并考虑了模型弹性轴不同位置对结果的影响。研究结果表明：在临近传统定常失速迎角的大迎角条件下,翼型的振动可以引起翼型大尺度的分离,导致翼型失速的提前发生;振动在不同的相位滞后条件下,对翼型流场的分离程度不尽相同。     

跨音速非定常流动的Euler方程隐式解

在随时间变化的贴本坐标系中给出求解非定常Euler方程的连续通量分裂法。在此基础上建立了可用于跨音速非定常流动的Euler方程隐式求解法。采用特征向量变换,可在保证原方程组离散化精度的条件下使计算大为简化。针对振动翼绕流特点建立了固连于物体的动坐标与固定坐标间的关系。数值计算在动坐标中进行,既简化网格生成又保证在物面上满足边晃条件。对NACA64A-10冀型绕1/4弦点做简谐俯仰振动的非定常气动力进行了计算,给出了与实验结果基本相符的计算结果。此外,还给出翼型做沉浮及同时进行沉浮与俯仰二自由度振动的非定常气动力的计算结果。     

S1223翼型俯仰-沉浮运动的非定常气动特性分析

扑翼飞行器是未来航空领域的重要发展方向之一,而鸟类、昆虫等自然界的飞行生物所具有的出色飞行能力,为人造扑翼飞行器的设计工作提供了很好的参照。本文以鸟类的扑翼飞行为研究背景,针对简化的二维S1223翼型的刚性俯仰-沉浮运动,对其非定常气动力特性进行了数值研究。研究采用了动态混合网格技术以及非定常数值计算方法。为了提高动态混合网格的变形能力,采用了基于径向基函数的插值方法求解空间点的位移,翼型整个俯仰-沉浮运动周期内计算网格均维持了较好的质量,没有发生网格重构。非定常算法方面,通过约束单元边界面的法向速度从而满足了运动网格下几何守恒律的要求。空间离散采用了二阶的有限体积格式,时间离散则采用了双时间步和BLU-SGS相结合的隐式时间推进策略。计算得到了不同下拍时间、不同拍动角等条件下的升力、推力以及能耗,对其升力、推力产生机制进行了分析,并通过对气动力以及流场进行对比,分析了各拍动参数的影响。计算结果表明,翼型自身的"静态因素"是其产生升力的主要原因,非定常流动对增加升力起到了促进作用,而下拍时间、拍动角等运动参数对翼型的气动性能影响较大。当下拍时间占到整个拍动周期的约65%-70%时,单位能耗下的时均升力最大,该结论和观测数据较为一致。此外,通过对比分析得到了一组具有较好气动特性的拍动角参数,为后续针对三维问题的研究提供了参考。     

弹性飞行器动态耦合和控制综合研究

研究弹性飞行器的动态耦合问题，首先导出了非定常气动力作用下的弹性飞行器的纵向运动方程。就简化的非定常气动力数学模型提出了分析气动弹性飞行器稳定性的影响方法，而后对弹性飞行器的动态耦合特性提出了定性的分析方法。并从有效抑制飞行器的弹性振动角度，研究了主动反馈控制、操纵面及陀螺位置的合适选择的协同设计问题。     

振动翼型跨音速绕流的数值模拟

从积分形式的非定常Euler方程出发,在固联于振动冀型的贴体坐标系下,采用有限体积法进行离散,并根据对称型TVD格式构造相应的数值通量,数值模拟了振动翼型的非定常跨音速绕流的变化过程。计算结果表明,该方法能较好地捕捉流场中的运动激波,准确地定出激波位置与强度;并且易于推广到求解任意振动方式的跨音速非定常绕流问题。     

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.      

Aerodynamic performance of owl-like airfoil undergoing bio-inspired flapping kinematics

Natural flyers have extraordinary flight skills and their prominent aerodynamic performance has attracted a lot of attention. However, the aerodynamic mechanism of birds' flapping wing kinematics still lacks in-depth understanding. In this paper, the aerodynamic performance of owl-like airfoil undergoing bio-inspired flapping kinematics extracted from a free-flying owl wing has been numerically investigated. The overset mesh technique is used to deal with the large range movements of flapping airfoils. The bio-inspired kinematics consist of plunging and pitching movement. A pure sinusoidal motion and a defined motion composed of plunging of sinusoidal motion and pitching of the bio-inspired kinematics are selected for comparison. The other two NACA airfoils are also selected to figure out the advantages of the owl-like airfoil. It is found that the cambered owl-like airfoil can enhance lift during the downstroke. The bio-inspired kinematics have an obvious advantage in lift generation with a presence of higher peak lift and positive lift over a wider proportion of the flapping cycle. Meanwhile, the bio-inspired motion is more economical for a lower power consumption compared with the sinusoidal motion. The sinusoidal flapping motion is better for thrust generation for a higher peak thrust value in both upstroke and downstroke, while the bio-inspired kinematics mainly generate thrust during the downstroke but produce more drag during the upstroke. The defined motion has similar lift performance with the bio-inspired kinematics, while it consumes more energy and generates less thrust. The unsteady flow field around airfoils is also analyzed to explain the corresponding phenomenon. The research in this paper is helpful to understand the flight mechanism of birds and to design a micro air vehicle with higher performance.     

不同振动形式下的翼型失速特性

通过求解雷诺平均Navier-Stokes方程,研究了翼型在强迫振动和自然结构振动下的大迎角流场特性,尤其是失速迎角附近的流场和气动特性.研究结果表明:在接近颤振临界速度情况下结构自然振动可以引起翼型大尺度的分离,导致失速分离涡提前出现;强迫性的沉浮运动和俯仰运动在一定幅度下也可以引起失速性质的大分离,而且沉浮和俯仰振动的频率和振幅都是影响翼型大尺度分离的重要因素.     

翼型大迎角振动对气动性能影响的实验研究与初步分析

通过在NF-3低速风洞专门研制的翼型模型及相应的俯仰和沉浮振动机构,选用NACA0012翼型进行大迎角下不同频率的振动实验,研究了模型振动平均状态下对其气动力特性的影响情况,并在N-S方程基础上对振动流场进行了初步分析。实验与计算研究的结果表明：在临近定常失速迎角的大迎角条件下,翼型的振动可以引起旋涡分离,导致翼型升力减小和失速迎角的提前。就所涉及的两种振动模式而言,俯仰振动的影响大于沉浮振动,所以,模型设计和加工时要特别注意加强机翼弦向的扭转刚度。     

在大气紊流中飞行的弹性飞行器动力学模型

本文以大展弦比、后掠翼飞机和轴对称导弹为例,分别建立了弹性飞机和细长体弹性飞行器在大气紊流中飞行时的动力学模型。该模型考虑了非定常气动力的影响以及刚性运动和弹性变形模态之间的气动耦合作用,并给出了其状态空间方程的标准形式。     

Lift performance enhancement for flapping airfoils by considering surging motion

The flapping motion has a great impact on the aerodynamic performance of flapping wings. In this paper, a surging motion is added to an airfoil performing pitching-plunging combined motion to figure out how it influences the lift performance and flow pattern of flapping airfoils. Firstly, the numerical methods are validated by a NACA0012 airfoil pitching case and a NACA0012 airfoil plunging case. Then, the E377m airfoil which has typical geometric characteristics of the bird-like airfoil is selected as the calculation model to study how phase differences φ₁ between surging motion and plunging motion affect the aerodynamic performance of flapping airfoils. The results show that the airfoil with surging motion has comprehensively better lift performance and thrust performance than the airfoil without surging motion when 15°< φ₁ < 90°. It is demonstrated that surging motion has a powerful ability to improve the aerodynamic performance of flapping airfoil by adjusting φ₁. Finally, to further explore how flapping airfoil improves lift performance by considering surging motion, the flapping motions of E377m airfoil with the highest lift coefficient and lift efficiency are obtained through trajectory optimization. The surging motion is removed in the highest lift case and highest lift efficiency case respectively, and the mechanism that surging motion adjusts the aerodynamic force is analyzed in detail by comparing the vortex structure and kinematic parameters. The results of this paper help reveal the aerodynamic mechanism of bird flight and guide the design of Flapping wing Micro Air Vehicles (FMAV).     

非定常气动力作用下弹性飞行器的稳定性及耦合特性

本文对所建立的弹性飞行器非定常动力学模型,以系统矩阵和返回差矩阵讨论了这类多变量模型的稳定性,由此导出定量评价弹性飞行器系统运动变量,即姿态、弹性自由度、控制及观测变量相互间的开环与闭环耦合测度,从频域的角度描述了耦合特性,具有较状态空间分析更直观、简捷的优点。文中还以算例给予了分析和验证。     

脱体涡流型翼面非定常气动力计算方法

本文研究了细长三角翼在脱体涡流型时变攻角所产生的非定常气动力的机理,并采用了一种时间历程的,考虑翼面前、后缘涡面随局部气流拖出并由时间发展逐步形成的数值方法,称之为涡面生成法,计算结果表明该方法是稳定和有效的。     

二维机翼二自由度跨音速颤振分析

 <正> On the assumption that airfoils take small amplitude ha-rmonic oscillating and middle reduced frequency, the two-dimensional, inviscid, small-disturbance nonlinear unsteady transonic flow equation can be split into two parts. One is the nonlinear steady small-disturbance equation, the other is the time-linearized unsteady small-disturbance equation. The steady equation is solved by Carlson code. The unsteady equation is solved by integral method. The standard v-g method is used to solve the flutter eigenvalue equations. A transonic flutter analysis is performed for a NACA 64A006 airfoil with pitching and plunging degrees of freedom.The Mach numbers considered are 0.7, 0.8, and 0.85. The aerodynamic coefficients are obtained by the above method. For each Mach number, the flutter speed and the corresponding flutter reduced frequencies are achieved by varying the airfoil-airmass ratio, plunge-pitch frequency ratio. The results are compared with other computational method and good agreement has been observe