破裂涡流中非定常现象与频率特性实验研究

通过流动显示、表面动态压力测量及热线测量等实验手段,对三角翼破裂涡流中的多种频率成分进行了分析。频谱分析确定了破裂点脉动和螺旋波的频率特征。实验结果表明,螺旋波主频随着弦向位置的增大先是迅速而后平缓减小。前缘涡破裂点振动具有准周期性,在不同的弦向位置上主频大小几乎没有改变,在靠近破裂点的位置有较大的振动能量。实验分析还表明,在破裂涡的流动状态下,虽然没有形成完全分离流,三角翼绕流流场中已经存在涡脱落的现象。     

上仰三角翼的流动与频率特性

在水洞和风洞中分别完成了上仰三角翼的流动显示和动态测压试验,目的是研究上仰-停止三角翼的流动和频率特性。水洞中的流动显示试验结果表明,在不同的上仰迎角范围和不同的简化频率k值下,三角翼前缘涡破裂点的位置变化是不相同的。通过分析在风洞中测得的三角翼做上仰运动时的压力信号的结果表明,在破裂涡区中,在相同的名义迎角下,无量纲螺旋波的主频比静态时的高,且k值越大无量纲螺旋波频率越高。不同后掠角的三角翼均能得到相似的结论。     

三角翼大迎角绕流特性数值模拟的网格处理技术研究

研究网格对三角翼大迎角绕流特性数值模拟的影响.结果表明,网格的生成需要结合流动现象,对网格拓扑结构和网格点分布进行选择与搭配.C-H型网格适宜模拟尖前缘分离涡流态,法向网格在一定范围内应等距增长,沿流向逆压梯度较大的区域内适当增加网格点,尾迹区网格则应做上翘处理.Euler方程具有模拟三角翼旋涡及预测涡破裂特性的能力,但对二次涡等粘性引起的流动细节把握能力不足.利用层流假设的N-S方程,通过合适的网格,也可得到满意的计算结果,但对涡破裂后的强烈非定常湍流流动模拟能力不足.采用旋涡螺旋度可准确反映主涡与二次涡流动,描述旋涡的破裂现象.用轴向速度迅速减小并小于来流速度的点作为涡破裂判据似应更合理.     

PIV测量非定常自由来流中的三角翼前缘涡

在南航非定常风洞中,运用PIV测量技术,研究了非定常自由来流下三角翼前缘涡瞬时涡结构的变化。通过分析三角翼前缘涡速度矢量、涡量以及流动拓扑结构的变化可知,在减速过程中,破裂的前缘集中涡重新卷起,形成涡量较强的集中涡,横截面流动拓扑结构显示,流动结构从不稳定的焦点变成稳定的极限环,这也就说明前缘集中涡的破裂点位置向下游移动;在加速过程中,集中涡很快破裂,涡量随之减小,流动拓扑结构从稳定的极限环变成不稳定的焦点,前缘集中涡的破裂点位置向上游移动。分析认为外部压力梯度的变化可能是导致涡破裂位置移动的原因。     

绕跨声速三角翼的激波/涡干扰流场数值模拟

 在绕三角翼的跨声速流动中,随着迎角的增加,三角翼上的涡破裂位置会出现突然前移的现象。针对这一与亚声速下不同的流动现象,采用带曲率修正的Spalart-Allmaras(SAR)湍流模型,求解定常雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程,对不同迎角下绕65°后掠尖前缘三角翼的跨声速流动进行数值模拟,并在此基础上,采用基于SAR湍流模型的脱体涡模拟(DES)方法,对由激波干扰导致的前缘涡破裂位置的运动规律进行了初步探讨。模拟结果与试验结果对比表明:SAR湍流模型能准确地模拟出三角翼上的激波系统和旋涡结构,并能准确模拟出由于激波干扰导致的涡破裂位置突然前移的现象。此外,对涡破裂后流场的非定常数值研究发现,支架前端正激波的干扰作用使得涡破裂位置向下游移动比较突然,而向上游移动则相对缓慢。     

扰流片对三角翼脱体涡影响的实验研究

在染色法流动显示实验的基础上,进一步深入研究了扰流片在不同标高攻角和来流速度情况下对70°三角翼脱体涡的影响。PIV测试结果表明,在适当位置,扰流片对三角翼的脱体涡的破裂具有一定的延迟作用,在扰流片的诱导涡与三角翼脱体涡方向一致时,脱体涡破裂延迟越靠后。     

三角翼涡破裂形态研究

通过对三角翼上漩涡破裂形态及涡破裂过程的流态变化的分析 ,可以得到以下结论。在三角翼上 ,除了通常知道的螺旋破裂核泡状破裂之外 ,还有双螺旋、涡丝以及蛙跳另外 3种破裂形态。涡破裂是一个非定常过程 ,在机翼形状、迎角及来流条件不变的情况下 ,通常可以看到涡破裂形态的变化 ,即从螺旋破裂逐渐转化成泡状破裂又返回到螺旋破裂的过程。泡状破裂可以认为是螺旋破裂的一种特殊阶段。它与螺旋破裂并没有本质上的区别。从形态上看 ,泡状破裂中会出现涡核分叉 ,涡核中分离出一些带有涡量的流体微团 ,但总有一根涡丝 (一部分涡核 ) ,自始至终存在 ,它或者表现成螺旋形态 ,或者由于自身的诱导形成了较复杂的缠绕形态。     

涡破裂诱导的垂尾抖振气动弹性分析

通过试验方法分析了三角翼前缘分离涡与垂尾抖振之间的关系,深入研究了尾迹流动对垂尾抖振各阶模态的激励作用。计算得到了垂尾模型固有频率及各阶模态。在风洞试验中,应用激光片光烟流场显示技术,得到了三角翼模型在风速为30 m/s下,各迎角的涡结构;使用加速度传感器测量了垂尾翼根和翼梢的抖振响应;使用热线风速仪测量了垂尾翼根和翼梢位置的脉动速度分量。结果表明:前缘涡破裂后产生的高湍流度的尾迹是垂尾抖振的直接原因,抖振边界与涡破裂的强度和位置有关;涡破裂后尾迹与垂尾产生共振,使得抖振加速度响应频率与垂尾固有频率一致;涡破裂后,在较小迎角下,尾迹对垂尾的高频振动模态的激励较为明显,在较大迎角下,涡破裂流动对垂尾低频振动模态的激励加强了。     

削尖三角翼涡破裂前后的气动弹性特性对比研究

大迎角气动弹性分析是现代飞行器设计中非常引人瞩目并且复杂的研究课题.采用Navier-Stokes方程求解非定常流场,耦合结构运动方程,在状态空间内实现了70°削尖三角翼涡破裂前后的气动弹性时域模拟.研究显示,前缘分离涡破裂后,流动的非定常脉动特性非常明显,这种非定常效应对机翼气动弹性特性的影响不可忽略.涡破裂前,气动...     

三角翼DBD等离子体流动控制研究进展

现代战机采用较多的三角翼，在大迎角绕流时存在前缘涡破裂等气动问题。作为新型主动流动控制技术，等离子体激励频带宽、响应快、结构简单、便于闭环控制，在解决三角翼气动问题上具有潜力。回顾了介质阻挡放电（DBD）等离子体气动激励的基本原理，及其用于三角翼前缘涡控制的研究进展。从来流条件、几何构型、激励参数等方面分析了DBD等离子体激励对流动控制效果的影响规律；结合不同激励频率下流场演化特性，分析了流动控制机理。最后，从理论研究和工程应用的角度，对三角翼前缘涡控制的发展进行总结展望。     

三角翼跨声速动态失速与涡破裂特性研究

通过数值方法研究了高速气流中细长三角翼作匀速上仰机动飞行时的背风面分离流与涡破裂特性和气动力特性。结果表明,在三角翼匀速上仰非定常绕流中,涡破裂起始攻角与上仰速度关系比较复杂,在本计算速度范围内,涡破裂起始攻角变化很小;动态时涡破裂点发展速度随攻角变化规律与静态结果差别甚大;三角翼大攻角非定常绕流前缘涡涡轴附近的流动以不稳定涡和涡破裂为主要特征;在一定的上仰速度以后即使在中等攻角前非定常升力与定常升力仍有较大差别,与低速情况有所不同;上仰运动使涡破裂点发展速度被延缓,从而提高了失速攻角和最大升力,并使失速攻角与涡破裂起始攻角的间隔进一步拉大,同时不改变升阻比     

小振幅振荡圆柱域内部的定常整流旋涡流动

对充满静止不可压缩粘性流体的圆柱形，当柱壁沿垂直于柱轴方向作小振幅简谐振荡时的内部流动进行了实验研究，发现柱壁振荡在圆柱域内也诱导形成旋涡形态的定常整流流动。流动图谱随不同的振荡参数组合呈现四涡形态、双涡形态以及足印状双涡和蝶状四涡的过渡形态，并初步给出了不同整流图谱随数变化的演化规律。     

三角翼涡破裂非定常特性实验研究

本文依据染色液流动显示结果,通过子波和频谱分析,探讨了70°三角翼前缘涡涡核轴向速度的变化规律及其子波特性、涡破裂位置的非定常特性,指出涡破裂点位置的变化属于低频高幅振荡,这主要是左右涡之间的相互作用造成的,当两个涡的时间平均涡破裂点位置彼此靠得更近时,相应的振荡就更大一些,此外本实验得到涡破裂位置振荡的折合频率在St=0.2以内.     

后缘喷流对三角翼前缘涡的影响

本实验应用染色液流动显示技术和激光测速技术 (LDV)研究了 6 0°后掠三角翼在后缘差动喷流、对称喷流情况下前缘涡破裂位置、涡核的空间分布、涡核的速度分布以及三角翼背风面流动结构随迎角的演化等。实验结果表明 ,喷流增大了三角翼前缘涡涡核保持高速度的区域 ,推迟了涡核减速的位置 ,在大迎角情况下 ,对称喷流有助于消除由前缘涡振荡引起的“摇滚”现象。     

翼刀对双立尾／三角翼立尾抖振的影响

在北航的水槽和风洞中进行了加装翼刀的75°后掠双立尾／三角翼的立尾抖振实验,目的是研究翼刀对立尾抖振的影响。采用了流动显示、立尾表面动态压力测量、激光测立尾顶部加速度的实验来检验翼刀对立尾抖振减缓的效果。流动显示的实验结果表明三角翼前缘涡涡核从翼刀上方经过时,会提前破裂,这在一定程度上减弱了前缘涡。激光测立尾顶部加速度实验的结果表明,在28°到48°这段立尾抖振比较显著的迎角范围内,B1立尾位置的立尾抖振强度曲线比无翼刀的曲线数值上有明显的减小,抖振得到一定的改善。立尾表面动态压力的脉动强度也有明显的减小,频谱分析也能得到前缘涡提前破裂的结论,前缘涡的提前破裂起到了减缓立尾抖振作用。     

基于DES方法的三角翼激波-涡干扰流场数值模拟

采用基于Spalart-Allmaras湍流模型的脱体涡模拟（DES）方法,数值求解Navier-Stokes方程,模拟绕尖前缘三角翼的跨音速流动,并对三角翼上翼面的复杂激波-旋涡干扰流场进行了分析。与NASA兰利研究中心的NTF风洞实验结果对比分析表明,DES方法能很好地模拟跨音速三角翼上的旋涡流动。随着攻角由中度攻角增加到大攻角,支架附近的激波越来越强,对主分离涡的干扰作用越来越大,直至出现激波干扰导致的涡破裂。激波的形状、位置及涡破裂位置均与实验结果吻合良好。     

高阶精度格式WCNS在三角翼大攻角模拟中的应用研究

采用5阶精度的加权紧致非线性格式(WCNS-E-5)数值模拟了65°三角翼的大攻角绕流流场,主要目的是考核高阶精度格式WCNS在大攻角旋涡流动方面以及跨声速流场的激波附面层干扰、涡破裂位置的模拟能力,重点研究不同网格规模和湍流模型对尖前缘三角翼涡系之间的相互作用的影响。通过求解任意坐标系下的雷诺平均N-S方程,采用5阶精度的加权紧致非线性格式(WCNS-E-5)和多块对接结构网格技术,两种湍流模型分别是一方程SA和两方程SST湍流模型,在与相应试验结果对比的基础上,详细研究了WCNS-E-5格式在跨声速大攻角旋涡流动中的表现,以及不同网格规模、两种湍流模型对主涡二次涡相互作用、涡破裂位置和表面压力分布的影响。本文的研究结果表明,高阶精度格式WCNS-E-5能成功应用于三角翼的跨声速大攻角流动,网格规模的增加进一步提高流场分辨率,SST湍流模型相对SA湍流模型在三角翼大攻角流动中具有更好的适用性。     

三维定常分离流和涡运动的定性分析研究

本文由两部分组成。第一部分研究和分析了物体表面上的分离形态,指出若分离线从奇点始,该奇点为鞍点;若在奇点终,该奇点为结点。若分离线上有很多奇点,其鞍点和结点是交替分布的。分离线的起始,可能有三种形态:一种称之为闭式分离的鞍点起始;一种为正常点起始;一种为鞍、结点组合形态起始。可以把正常点起始和距离很近的鞍、结点组合形态起始称之为开式分离。在一定条件下,闭式分离的形态,先转变为鞍、结点组合的形态,然后过渡到正常点的开式分离。第二部分研究了旋涡沿其轴线发展过程中,其横截面流线形态的发展,指出旋涡轴线上物理量λ=(1/ρ)(ρw/z)是决定流线形态的重要参量。如果λ>0,截面流线在涡心附近是稳定的螺旋点形态。如果λ<0,为不稳定的螺旋点形态,如果λ=0,流线形态是中心型的,当沿涡轴λ由正变负或由负变正时,相应在涡心附近截面流线由稳定螺旋点形态变为不稳定螺旋点形态,或由不稳定螺旋点形态变为稳定螺旋点形态;并且从λ由正到负的变号点起,截面流线产生稳定的极限环,或从λ由负到正的变号点起,产生不稳定的极限环。旋涡破裂只能发生在截面流线为不稳定螺旋点形态的区域中,在通过涡轴的纵向平面内,破裂点处的流线形态是鞍型的。破裂涡的合拢点处在不稳定的极限环区域内。     

以外加辅助件推迟三角翼上涡破裂的初步水洞实验

对尖锐前缘、后掠角为60°的大攻角平板三角翼模型进行了水洞实验。利用附加的小辅助件,改变翼面上方的流场,使机翼前缘肌体涡推迟破裂。流动显示表明:在翼面上的适当位置安放圆弧形或三角形导流体,或在翼面上方另加一辅助小三角翼,能使涡破裂推迟的效果得到显著提高。此结果可供推迟涡破裂来改善飞机气动性能的研究工作参考。     

Pω增强型k-ω湍流模型在三角翼旋涡流动的应用

在三角翼旋涡绕流数值模拟中,标准 Wilcox k-ω湍流模型生成项未考虑旋度的影响而导致预测的旋涡强度较弱。通过引入探测因子区分剪切层和涡核,在旋涡流动的高旋度区域增加ω方程生成项的方法,基于结构化网格上的 RANS 求解器,加入了 Pω增强型 k-ω湍流模型,对绕尖前缘三角翼亚声速和跨声速旋涡流场进行了数值模拟。计算结果与 NASA 的 NTF 风洞和 DLR 的 DNW-TWG 风洞试验数据进行了对比分析,结果表明：不论在亚声速还是跨声速自由来流条件下,Pω增强型 k-ω湍流模型计算的压力分布、涡破裂位置均与试验数据吻合良好,准确地预测出了三角翼上翼面的主涡、二次涡结构,特别是跨声速条件下激波干扰导致的涡破裂的临界迎角及涡破裂位置,表明 Pω增强型 k-ω湍流模型在绕三角翼旋涡流动数值模拟中具有良好的适用性。