细长旋成体大迎角下的流动特性及抑制侧向力的实验研究

本文讨论了大迎角下细长体的气动特性及六种绕流状态,特别是不对称分离涡及由此而形成的侧向力。同时给出了消除侧向力的不同方法,最佳时它能被消除90%左右.     

绕细长旋成体非对称涡非定常性的实验研究

详细地给出了尖锥头和椭球头细长旋成体大迎角绕流非对称侧向力的时均值和脉动值的实验结果,特别是检测了侧向力低频大振幅分量的脉动特性。实验结果表明,在迎角0°～40°范围内时均升力系数和阻力系数实验结果和由横流理论预测的结果基本一致,时均侧力系数存在的迎角范围及其最大值尖锥头明显大于椭球头旋成体。由侧力瞬时值的时间过程表明,细长体大迎角绕流非对称背涡具有明显的非定常特征(即使在中等迎角30°～40°情况下,绕流就表现为非定常的),反映在侧力系数过程线上是一个非周期的随机过程,由不同频率和振幅的分量组成。其中,低频大振幅分量由分离涡核的振动引起,中等频率分量由类似于Karman涡的脱落引起,高频小振幅分量主要由分离剪切层中的小尺度湍涡(eddies)和来流湍流度引起。实验还发现,虽然随迎角的增加,低频分量的振幅不断增大,但主频基本保持不变,对于尖锥体约1.0Hz,对于椭球体约2.0Hz。     

三个丁坝流态研究

利用流动显示和片光源技术对绕丁坝的流动结构在北航水槽中进行了研究。研究发现在丁坝的上游会形成马蹄涡,在丁坝的头部会形成卡门涡,按Re数的大小可以把绕丁坝的流态分成5类。实验表明丁坝的交角及丁坝的个数对丁坝的流态有重要影响。     

大迎角细长体非对称空间流场特性的试验研究

应用七孔探针定量流场测试技术,在低速风洞中通过定量测试细长旋成体背风区三维空间流场,研究了零侧滑条件下细长旋成体在典型大迎角情况下(迎角为55°)背风区附体和离体涡系的空间演化规律,加深了对细长旋成体背风区不对称涡系空间结构的认识。解释了截面侧向力沿模型体轴分布为幅值递减波形的形成机制。给出了有、无头部小扰动片及小扰动片非定常摆动控制三种情况下的细长体背风区不同的多涡空间结构。细长旋成体背风区横截面的涡量和总压分布测量结果表明在模型头部固定小扰动片可以改变非对称涡的非对称特性,但不能使非对称涡变为对称涡,而在头部非定常小扰动的控制下模型背风区流动呈现对称涡的流态特征。     

旋转弹体大攻角非对称涡效应的分析

本文研究了旋转旋成体在超声速大攻角下的体涡非对称脱落和弹体上气动力和力矩的数值计算方法。文中采用冲击横流比拟概念,将绕旋成体的三维、定常、分离流问题转化为二维、非定常、分离流问题来求解。弹体位流模型用沿弹体轴线分布的源汇和偶极子来模拟,弹体背风区的分离涡则用横流平面中的大量离散点涡来模拟。采用经修改的 Stratford 准则来检验横流平面中边界层是否分离。典型算例结果表明,本文提出的方法能正确描述旋转弹体大攻角流动的主要特征。     

后掠翼对细长体头部侧向力特性的影响

通过在细长体顶点处设置扰动块的方式使细长体的绕流具有确定性,在此基础上研究了机翼对细长体头部侧向力特性的影响.通过实验发现,测压截面越靠近机翼顶点,受机翼的影响越大.在50°迎角以下,后掠翼对细长体头部侧向力特性的影响很小.在60°迎角时,后掠翼对细长体头部的侧向力特性影响较大,此时单独细长体的侧向力特性实验结果已不能直接应用于后掠翼身组合体了.     

亚临界雷诺数细长体绕流流态随迎角的变化和分区

通过在北航1.2m水洞中利用染色液显示和激光片光技术的显示实验以及在西工大NF-3风洞中进行的表面测压实验,对拱形头部细长旋成体在无侧滑条件下的流场结构和流动特性随着迎角的变化进行了实验研究。在流动显示和测压结果分析的基础上,对迎角从0°到90°范围内绕细长体的流动进行了流态分区,即细长体绕流经历6种流态:极小迎角下(0°≤α≤3°)物面附着绕流流态、小迎角下(3°<α≤25°)背部对称旋涡流态、中等迎角下(25°<α≤40°)背部2个非对称旋涡流态、大迎角下(40°<α≤60°)的非对称多涡系复杂流态、特大迎角下(60°<α<75°)背部多个旋涡依次破裂的流态、极大迎角下(75°≤α≤90°)背部类卡门涡街(或随机尾迹)流态。阐述了不同区域的流动特性和气动特性。     

来流边界层拟序结构对超声速混合层流场结构的影响研究

超声速混合层涉及可压缩湍流的根本问题,具有重要的应用背景.通过设计超声速混合层实验装置、应用新近提出的高分辨率NPLS测试技术,拍摄了来流边界层分别为层流和湍流流态下混合层的流向和展向流动图像.根据流动图像的特征,分析了混合层的流向与展向流场切面中拟序结构的成因;深入讨论了来流边界层中拟序涡结构与混合层涡结构的相互作用问题;比较了层流和湍流来流条件下混合层拟序结构的异同及其对混合效率的影响.结果表明:当来流边界层为湍流时,对应的混合层具有较高的混合效率.     

不同截面细长体大迎角非对称流流态及侧力特性研究

无人驾驶战斗机将是未来战斗机发展的可能方向,为了隐身及其他目的,飞翼布局是一种可供选择的形式.这时机身不很细长,在大迎角下的非对称涡将不会出现多涡系,而涡破裂现象会影响机身涡的非对称性及气动特性.提出了在风洞及水洞中进行的不同截面形状的细长机身的实验结果.讨论了迎角、滚转角及截面形状对机身侧力的影响,并结合流态对实验结果进行了分析,有助于加深对这类机身气动力产生机理的了解.     

圆柱尾涡/边界层相互作用中二次涡特性研究

应用流动显示的方法研究水槽中上游圆柱绕流尾涡与平板边界层的相互作用,发现边界层外的尾涡可以诱导边界层内流体产生新的二次涡结构,对二次涡的产生条件、形成机理和演化规律进行了探讨.结果表明:尾涡/二次涡的相互作用是尾涡与边界层相互作用的核心,尾涡涡脱落St数的变化、尾涡反弹现象、边界层内二次涡的产生和尾涡/二次涡相互作用的不同形态等均与无量纲参数yc/D有关(yc为圆柱距离平板的法向位置,D为圆柱直径),并可以此参数对尾涡/边界层相互作用的特性进行分区.     

PIV技术在前体非对称涡结构研究中的应用

介绍了北航D4风洞PIV系统的布置及具体实验方案,在此基础上实现了PIV技术在前体非对称涡流动结构研究中的应用.在迎角50°、Re=0.14×10~6~0.55×10~6时,对旋成体X/D=2和3.35截面流动结构进行研究.结果表明,随着Re数的增加截面上流动结构存在从非对称二涡向三涡发展的趋势;在亚临界区,旋涡对非对称压力分布的影响起主要作用;在临界起始发展区及临界区,边界层流动状态及其分离形态对非对称压力分布的影响起主要作用;前体非对称涡沿轴向由二涡向三涡的发展状态在临界起始发展区比亚临界区将向更上游的位置发生.     

前体涡诱导机翼摇滚扰动控制高速风洞试验研究

通过在临界雷诺数范围内的翼身组合体自由摇滚试验,开展了前体涡扰动对机翼摇滚的流动控制研究。实验结果表明,通过对前体涡的控制可以有效消除翼身组合体摇滚的发生,添加头尖扰动的位置对控制效果具有明显影响,扰动在正侧向控制效果最佳,这种摇滚控制方式在较宽的迎角范围及马赫数范围内均有效。对前体涡诱导机翼摇滚的扰动控制机理做了简要分析。     

翼涡与体涡的相互干扰及其对翼涡破裂的影响

根据流谱观测结果，研究了翼－身组合体和全机的涡系干扰特点，分析了翼涡与体涡的相互诱导，使翼涡与体涡运动发生变化，讨论了影响前缘分离涡破裂的主要因素，并对尾翼的影响、机身后部体涡的强度、非对称体涡出现的条件，以及分离旋涡在稳定发展过程中的抗干扰能力等提出了看法。     

7°尖锥高超声速边界层转捩红外测量实验

为了推动高超声速边界层转捩研究的深入开展，给边界层转捩机理研究、物理模型验证、转捩数据库构建和转捩天地相关性的建立等提供基础风洞实验数据，在中国空气动力研究与发展中心的Φ1 m高超声速风洞开展了边界层转捩规律红外热图实验。针对半锥角7°尖锥模型，研究了不同单位雷诺数、迎角和马赫数对尖锥边界层转捩位置的影响规律。实验单位雷诺数（0.49~2.45）×107/m，迎角范围-10°~10°，马赫数5~7，模型头部半径0.05 mm。通过红外热图技术测量模型表面温度分布，获得了较为详细的转捩位置和转捩参数影响规律。实验结果表明:在马赫数5~7范围内，马赫数增大，尖锥转捩位置提前，分析认为是高马赫数时的雷诺数较大、自由流噪声水平较高引起；随着单位雷诺数的增大，边界层转捩位置前移，转捩雷诺数保持不变，约为3.0×106；小迎角时，随着迎角的增大，迎风面边界层转捩推迟，背风面边界层转捩前移，在10°大迎角时，迎风区中心线转捩前移，出现迎角"转捩逆转"现象，背风区出现了流动分离导致的低热流条带。     

逆压梯度转捩边界层流动结构显示

采用氢气泡时间线方法,对逆压梯度条件下人工激发平板边界层转捩过程中扰动的发展和演化特性进行观测,其中引入计数器技术实现对不同位置的平面图及侧面图的流动显示结果在同一相位条件下进行分析.除了T-S波和发卡涡等典型的流动结构,试验结果还揭示出转捩过程中二次发卡涡的再生、展向多个发卡涡的出现以及流动破裂等重要现象的细节和机制.     

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。     

Model for Asymmetry of Shock/Boundary Layer Interactions in Nozzle Flows

The reason for the asymmetry phenomenon of shock/boundary layer interactions(SBLI)in a completely symmetric nozzle with symmetric flow conditions is still an open question.A model for the asymmetry of nozzle flows was proposed based on the properties of fluid entrainment in the mixing layer and momentum conservation.The asymmetry model is deduced based on the nozzle flow with restricted shock separation,and is still applicable for free shock separation.Flow deflection angle at nozzle exit is deduced from this model.Steady numerical simulations are conducted to model the asymmetry of the SBLIs in a planar convergent-divergent nozzle tested by previous researchers.The obtained values of deflection angle based on the numerical results of forced symmetric nozzle flows can judge the asymmetry of flows in a nozzle at some operations.It shows that the entrainment of shear layer on the separation induced by SBLTs is one of the reasons for the asymmetry in the confined SBLIs.     

滑动放电等离子体控制细长体头部背风区非对称涡实验研究

飞行器在大迎角飞行状态下,细长体头部背风区流场演变复杂,会出现非对称旋涡,产生随机侧向力,对飞行器的机动性和敏捷性影响很大。针对细长体大迎角非对称涡控制问题,采用顺流向布局的滑动放电等离子体激励器,结合测压和粒子图像测速（PIV）等手段,对细长体模型开展了风洞实验研究。研究结果表明:激励电压10 kV是流动控制开始生效的阈值电压;当来流速度10 m/s（雷诺数0.8×105）、迎角45°时（激励电压16 kV,归一化脉冲频率1.96）,获得最佳流动控制效果,侧向力系数最高可降低83.48%;随着来流速度继续增大,流动控制效果逐渐减弱,预测在来流速度26 m/s时将完全失效。     

三面压缩式高超声速进气道流动结构研究

采用油滴显示技术结合数值模拟方法对三面压缩式高超声速进气道的流场进行了深入研究.结果揭示由于激波-边界层干扰,三面压缩进气道内存在边界层分离、溢流和三维涡结构等复杂流动现象,尤其是唇口诱发的较大强度的斜激波引起了侧壁和顶面的边界层分离,并在顶面附近形成大尺度的流向涡,造成隔离段内存在明显的分层现象,形成低总压区,需要在进气道设计时对这一现象进行有效控制.     

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,在犕=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。