基于合成射流的机翼溢流冰防护实验

为了解决电加热防/除过程中,机翼前缘溢流水流至防护区后侧形成冰脊影响飞行安全的问题,提出一种电加热系统与合成射流激励器复合式防冰方法。该方法将电加热系统布置于机翼前缘,通过加热使得机翼前缘温度高于冻结温度,防止过冷水滴在机翼前缘冻结,合成射流出口位于电加热系统防护区下游,通过合成射流的吹吸作用改变溢流水的运动轨迹,防止前缘溢流水流至机翼后表面形成冰脊。在结冰风洞中,通过实验研究了液态水含量、环境温度和合成射流速度对电加热与合成射流复合式防冰性能的影响。实验结果表明:电加热与合成射流复合式防冰系统在设计的结冰气象条件下,不仅能够保持机翼前缘不结冰,还能消除机翼后表面的冰脊。     

合成射流对角区马蹄涡的影响研究

为削弱角区马蹄涡的强度,采用数值模拟的方法研究合成射流对角区马蹄涡的影响。在翼-平板交接处的平板上加载生成合成射流的控制腔,利用动网格技术模拟合成射流,使得控制腔底部壁面周期性振动。分析了合成射流对流场涡量、端壁表面摩擦系数和端壁表面压力的影响。结果表明,合理选择合成射流可以有效抑制机翼根部流场的三维分离,在分离点前X/T=-0.6位置引入合成射流可以使马蹄涡腿更向机翼壁面靠拢,在分离点后X/T=-0.33位置引入合成射流几乎可以完全消除马蹄涡。合成射流可以有效减弱马蹄涡在壁面的摩擦阻力。最后对合成射流的控制机理进行了讨论。     

某型飞机机翼防冰系统计算分析

主要针对某型飞机机翼的热气防冰系统计算分析,得到水滴直径变化对撞击极限的影响,飞行马赫数变化对机翼表面换热系数的影响,分析了不同飞行高度湿表面和干表面的温度分布.结果表明水滴撞击区随着水滴直径增加而增大;机翼表面的换热系数随飞行马赫数的增加而增加;在相同计算条件下,干表面温度比湿表面温度要高.对多个典型截面以及其在不同飞行状态的计算结果表明,在给定的计算条件下,4km及7km时防冰系统工作都是有效的,7km时表面部分位置湿表面温度低于0℃.      

合成双射流控制NACA0015翼型大攻角流动分离试验研究

设计了一种卧式合成双射流激励器(DSJA),并对其在翼展中段控制NACA0015翼型大攻角流动完全分离进行试验研究,分析了合成双射流激励器两射流出口位置及射流能量对控制机翼流动分离的影响规律。结果表明:合成双射流激励器对机翼大攻角流动分离具有很强的控制能力,可显著提高机翼流动分离攻角;合成双射流激励器两射流出口相对分离点的位置是影响控制效果的重要参数;合成双射流激励器两出口任一出口位于分离点之前,且越靠近分离点,其对边界层分离的控制效果越好,并且当分离点位于合成双射流激励器两出口之间,且离第一出口位置较近时,合成双射流"接力"控制机翼分离的效果更加明显;与合成射流"单射流"相比,合成双射流"两射流"对分离点位置的有效控制区域明显增大。此外,提高合成双射流激励器的射流能量,其控制机翼流动分离的能力提高。     

表面凸起对机翼热气防冰腔内换热强化的影响

采用数值模拟对比研究了光滑表面和具有表面凸起结构热气防冰腔内湍流流动的换热特性。机翼防冰腔内笛形管具有三排射流孔,射流孔角度有0°±45°组合以及0°±30°组合。为了强化射流冲击光滑表面的流动换热,在防冰腔内表面正对射流孔的射流冲击区,设计了表面凸起结构,用来强化射流对壁面的冲击换热效果并起到引流作用。通过改变射流孔射流角度研究了射流角度对传热特性的影响。计算结果表明:与光滑防冰腔内表面射流冲击换热相比,表面凸起结构可以将均匀发散的壁面射流集中为高速壁面射流,提高壁面射流区的对流换热系数,从而增强射流冲击换热效果,机翼前缘的强化换热效果尤为明显。     

航空电子设备冷却用环路热管冷凝器热沉分析

为确定环路热管用于机载电子设备散热的适用性,讨论了应用于航空电子设备冷却的环路热管冷凝器可用热沉,提出将机翼蒙皮作为环路热管冷凝器的热沉.通过机翼蒙皮的传热分析,计算了飞行任务包线下机翼蒙皮内表面温度,以确定环路热管冷凝器热沉温度范围.理论计算表明,利用环路热管将机载电子设备的热量耗散于飞机蒙皮是一种可行的热管理技术.      

热气防冰参数对机翼表面溢流结冰的影响研究

机翼热气防冰数值模拟中,根据N-S方程求解流场,用Euler法获得水滴撞击特性,通过蒙皮导热将求解得到的内外流场进行耦合传热并达到稳定后,开始模拟结冰,来进行机翼热气防冰及形成溢流结冰的数值计算。计算结果表明,热空气防冰数值模拟是可行和合理的。采用数值模拟方法对机翼热空气防冰过程进行了模拟,得到了由于引气温度不足或机翼热空气保护面积不同而导致的不同溢冰高度和位置。分析了供气温度、防冰区域对翼面溢流冰形成的影响。结果表明:供气温度直接正向影响热交换后蒙皮表面温度。供气温度越低,溢流冰形高度越高,对气动特性影响也越大;热防护区域范围对溢流结冰结果也会产生影响,热防护区域越大,冻结位置距离驻点越远,而且冰形高度越低,对气动特性影响也越弱。     

单排突片激励热射流作用下楔形凹腔表面对流换热研究

为了改善发动机整流支板凹腔防冰结构热气射流冲击换热效果,在常规圆形射流孔上采取了突片激励,通过三维内外流耦合数值模拟的方法研究了突片数量、突片穿透比(l/d)以及射流冲击间距(H/d)对楔形凹腔表面换热的影响。研究结果表明:突片能够提高射流核心区的速度和湍流动能,使得冲击换热效果增强;相对于圆形射流孔,4-tabs,6-tabs和8-tabs所对应的的楔形凹腔表面温度和Nu数分别提高了1.2K,2.3K,2.8K和17%,28%,33%;凹腔表面温度随着突片穿透比的增大而有所提高;射流冲击间距(H/d)对凹腔内部对流换热有很大的影响,无突片激励作用时,H/d=6的凹腔表面最高温度和Nu数比H/d=12提高了7.2K和67%;在突片激励作用下,H/d=6时的凹腔表面最高温度和Nu数分别比H/d=12时提高了8.5K和90%。突片数量和突片穿透比的增大都会引起次流总压损失的增加。     

低雷诺数下机翼气动特性研究及控制

高空长航时无人飞行器(HALE UAV)由于飞行环境空气稀薄、雷诺数低导致其气动性能恶化,如何通过流动控制改善机翼低雷诺数气动性能受到越来越多的关注。在低速风洞中通过测力、测压和边界层测试等试验技术开展了NACA 633-421直机翼模型气动特性试验和流动控制研究。天平测力结果表明:随雷诺数降低(Re<1.4×10⁵)机翼气动特性迅速恶化;最大升力系数损失严重,失速迎角急剧降低;分析翼面压力分布结果显示,机翼表面产生层流分离泡(LSB),其长度变化、位置前移和最终发生破裂的发展过程是导致机翼低雷诺数气动性能恶化的主要原因。采用合成微射流(Micro-SJ)对翼面层流分离泡进行流动控制,失速迎角推迟了11°,机翼最大升力系数由0.59提升至1.10,最大升阻比增加了13.6%。合成微射流控制具有选频特性,驱动频率f=200~400 Hz的合成微射流控制效果最佳,更易促进分离剪切层提前转捩,形成湍流再附,使得层流分离泡长度缩短。     

航空发动机附件综合热管理性能分析

针对航空发动机舱内附件面临的热问题，提出了以隔热、通油冷却、通风冷却等为热防护措施的综合热管理方案，通过实验研究了隔热、通油冷却、通风冷却对附件温度的影响，获得了机匣温度、初始燃油温度及燃油流量等对附件表面温度及进出口燃油温升的影响规律。结果表明：隔热能够显著降低附件表面温度增长速率，在100 min工作时间内能够有效控制附件表面温度保持在200 ℃以下；附件表面温度的主要影响因素为初始燃油温度、加热功率、燃油流量，其中初始燃油温度决定附件进口温度，加热功率、燃油流量决定附件进出口温差，三者共同决定附件表面温度；通风冷却对未采取通油冷却的附件有一定的冷却效果，对采取通油冷却的附件没有明显的冷却效果。     

复合材料热气防冰系统试验研究

为了进行复合材料热气防冰性能的研究,结合冲击射流和微通道强化换热,针对复合材料导向叶片提出了一种热气防冰系统。对给出的复合材料热气防冰系统进行了简易的冰风洞试验,在同一气流速度、防冰热气流量、平均水滴有效直径条件下,对不同防冰热气温度、外流冷气温度和液态水含量状态下的蒙皮外表面温度进行了测量。结果表明：给出的复合材料热气防冰系统性能正常,能够满足防冰要求;比较了液态水含量、防冰热气温度和冷气温度对蒙皮外表面温度的影响,说明在本实验范围内液态水含量是影响蒙皮外表面温度的最大因素。     

飞行器表面红外辐射的模型以及红外特征分析(英文)

隐身最重要的技术之一是评估飞行器被红外探测器接收到的红外辐射强度。本文针对飞行器表面红外辐射特征计算的问题提出一个方法。首先通过分析飞行器表面气动加热、发动机热部件等主要热源,建立了CFD计算模型并获得了飞行表面的温度场。并结合反向蒙特卡洛方法建立求解飞行器表面复杂几何外形的红外辐射模型。通过数值模拟,比较了飞行器主要部件在水平和侧向上红外辐射强度所占的比重;并针对飞行器主要部件冷却对红外辐射强度的影响效果进行了研究。计算结果表明:在水平方向降低飞行器头部、垂尾、机翼部件表面温度10K能降低红外辐射强度大于8%;而在侧方向降低飞行器头部、垂尾、机翼部件表面温度10K能降低红外辐射强度小于8%。计算结果可为隐身设计提供参考。     

高超声速飞行器表面温度分布与气动热耦合数值研究

针对高超声速飞行器热防护设计中的高温气体非平衡效应问题和气动热环境精确预测问题,基于流场的非平衡Navier-Stokes方程、表面的能量守恒方程和内部的热传导方程,考虑流场的非平衡效应、表面的热辐射效应、催化效应和烧蚀效应以及热防护层内部的热传导效应,建立了初步的表面温度分布与气动热的耦合计算方法,完善了高超声速飞行器气动物理流场计算软件(AEROPH_Flow)。在表面材料为碳-碳(C-C)条件下,对飞行高度为65km和飞行速度为8,10km/s的半球以及飞行高度为50km和飞行速度为8km/s的球锥模型,开展了表面温度分布与气动热的耦合计算,验证了计算方法和计算软件,分析了表面温度分布对气动热环境的影响。研究结果表明:表面温度分布对气动热的计算结果有较大影响,在气动热环境的预测中,不仅要考虑热化学非平衡效应和表面催化效应的影响,还要考虑表面温度分布的影响,最好是采用表面温度分布与气动热耦合计算的方法,以减小表面温度分布对气动热计算结果的影响。为此,需要发展完善非平衡流场/表面催化和烧蚀/热传导温度场(气/表/固)的计算模型、耦合求解技术和计算软件,实现对高超声速飞行器的真实飞行条件下高温气体非平衡效应和气动热环境的精确模拟。     

活塞式合成射流技术及其应用研究

设计了活塞式合成射流激励器,研究了合成射流特性及其影响因素,并在高速风洞中开展了合成射流应用于空腔流场气动噪声抑制的试验研究。研究结果表明：合成射流激励器设计合理,能够得到较高速度的射流,正向射流速度极值约160m/s;合成射流频率与激励器激励频率一致;激励器频率、活塞行程以及射流出口形状等参数会对合成射流速度极值产生明显影响;合成射流速度对射流出口厚度变化不敏感;该方法对空腔流场气动噪声的抑制效果与马赫数关系密切,跨声速条件下,采用该方法进行流动控制能够改善空腔流场的气动声学环境,而超声速时该流动控制方法基本失效。     

增升减阻流动控制技术的数值模拟研究

针对微型涡流发生器、实体鼓包这两种被动流动控制技术和零净质量射流这种主动流动控制技术进行了数值模拟。研究了微型涡流发生器的高度和弦向安装位置对超临界机翼增升减阻的影响规律,高度合适的微型涡流发生器对机翼上表面的流动分离控制起着有利作用;微型涡流发生器最佳气动效率的取得与其弦向安装位置有关。研究了实体鼓包的高度对超临界翼型减少激波阻力和增加升阻比的影响规律,在激波的波脚位置有效地使用实体鼓包,可以减小激波阻力;在中高升力系数情况下,使用实体鼓包可提高升阻比。还研究了零净质量射流的速度幅值和射流频率对翼型增加升力的影响规律,随着射流速度幅值的增加,翼型的平均升力系数和阻力系数都要增加;射流频率对升力的影响呈非线性。     

楔形凹腔内带前伸槽冲击板射流冲击换热

针对楔形凹腔内带前伸槽冲击板结构开展了传热特性的试验研究，分析了冲击板前伸槽伸出长度比（5~11）、前伸槽宽度比（2.5~8）和射流雷诺数（7900~31700）等参数对凹腔表面温度、展向平均努塞尔数和面积平均努塞尔数以及射流压力损失的影响.研究结果表明:相对于基准冲击板，带前伸槽的冲击板能够使得凹腔的射流冲击对流换热较基准冲击板有较大幅度的改善，但引起较大的射流压力损失；前伸槽伸出长度的增大使得凹腔表面射流冲击对流换热有较显著的增强，对射流压力损失的影响很小；增大冲击板前伸槽宽度可以使得凹腔表面对流换热得到一定程度的强化，但也会造成压力损失的增大.      

低雷诺数自由翼斜出口合成射流分离流流动控制

采用斜出口合成射流对低雷诺数自由翼进行分离流主动流动控制,通过可视化机翼表面压力测试技术和粒子图像测速技术的同步测量,探究了合成射流对自由翼平衡迎角的提升效果及合成射流作用后自由翼迎角突跃的物理机制。实验结果表明:在低雷诺数来流条件下(Re=1.24×105),自由翼的最大平衡迎角仅为5°;合成射流控制下,最大平衡迎角增至16.8°。无控制状态下,当自由翼平衡迎角达到5°时,上翼面流动分离,处于分离区内的操纵舵面舵效降低。斜出口合成射流激励器在边界层内的能量注入,使自由翼上翼面分离流再附,提高了操纵舵效,促使自由翼迎角突跃,在较大的迎角下保持稳定。在斜出口合成射流激励器的作用下,自由翼可以配平在大迎角飞行状态,对于实现短距起降具有重要的意义。     

环境参数对飞机防冰热载荷的影响规律

为在飞机热气防冰系统设计过程中准确计算防护表面的防冰热载荷,以某飞机翼段模型为例,对防冰热载荷计算开展了研究,给出了计算流程,研究了来流速度、高度、温度、液态水含量和水滴直径等环境参数变化对翼段表面热载荷分布规律的影响。研究结果表明:①热载荷主要分布在机翼前缘,且越靠近翼尖部分热载荷数值越大,热载荷曲线呈现中间低两边高的分布;②表面热载荷分布范围和量级与来流速度和水滴直径呈正相关关系;飞行高度的变化对表面热载荷分布的影响较小;来流温度降低或液态水含量增加,热载荷数值增大但分布范围不变;水滴直径增加10 μm,上翼面热载荷分布范围增加约50%。      

考虑气动热的机翼颤振特性分析

为研究气动热对高超音速飞行器气动弹性特性的影响,首先对小展弦比机翼施加不同温度场,通过热应力分析理论获得不同温度载荷下机翼的热模态,然后应用二阶活塞理论计算非定常气动力,最后采用p-k法进行颤振计算。计算结果表明,气动加热后结构的模态特性和颤振特性均发生变化,由于温度效应降低了各阶固有频率,并且改变了它们之间的差距,从而导致机翼颤振速度降低。     

八字形出口合成射流激励器机翼分离流控制

设计研制了一种适于机翼分离流动控制的八字形出口合成射流激励器，对其出口射流与主流的相互作用特性进行了研究，粒子图像测速仪（PIV）流场测试和边界层速度型测试结果揭示了其控制机制为促进边界层与主流的诱导掺混，提升边界层底层能量。利用该激励器阵列对NACA633-421三维直机翼模型开展了针对射流能量比Cμ和阵列位置两个参数的分离流控制研究，天平测力及翼型表面测压结果显示该激励器可有效抑制翼面流动分离、推迟失速迎角。在设计范围内，射流能量比Cμ值越大，控制效果越好，当Cμ＝0．00168时，机翼最大升力系数提升了5．92％，失速迎角推迟了2．5°（激励器阵列位于0．3c处）。激励器阵列的弦向布置位置是一个重要控制参数，阵列位于0．3c处时最大升力系数提升量大于位于0．55c时。