基于前缘边界层扰动的空腔压力脉动抑制研究

武器内埋是实现战斗机超声速巡航、低可探测性(隐身)等先进技术指标的关键气动布局措施之一。腔内流场结构复杂,在一定条件下存在严重压力脉动,诱发强烈噪声,声压级(SPL)甚至可高达170dB,可能造成结构与内部元器件的破坏,因此空腔噪声与抑制方法成为研究热点之一。为此,对亚、跨声速流动条件(Ma=0.6、0.95和1.2)下有、无斜劈(ramps)时过渡式空腔(长深比L/D=4)气动声学特性开展了风洞试验研究,通过综合对比分析空腔底面中心线上的声压级分布和不同测点的声压频谱(SPFS)特性,探讨了斜劈对空腔气动噪声的抑制效果。研究结果表明,在亚、跨声速条件下,采用前缘斜劈对空腔内噪声有一定抑制效果,使得空腔后部区域声压级降低幅度比前部区域大,同时对空腔前壁以及后壁噪声也有抑制效果,部分典型测点声压频谱曲线上的能量尖峰基本全部被削平,这表明空腔流场已不存在产生自持振荡的流动机制。     

无尾飞机布局方向控制特性研究

介绍了无尾飞机布局方向控制特性风洞试验研究的主要结果。在两种典型布局上研究了扰流板、开裂副翼、机头边条、活动和偏转翼梢及舵面的方向控制特性。认为机头边条、开裂副翼、活动(偏转)翼梢及其舵面组合是一种极具潜力的方向控制方案,可供无尾飞机布局参考。     

可重复使用飞行器脉动压力数值模拟研究

相对于传统火箭或导弹，可重复使用飞行器的脉动压力问题更为复杂、且相关研究较少。本文采用RANS/LES混合方法模拟了可重复使用飞行器在竖立状态、跨声速飞行、超声速飞行3类典型状态下的非定常流场，并提取了典型特征位置的脉动压力。计算结果显示，竖立状态下的脉动压力发生在背风区和分离点，声压级约115 dB，频率不超过1 Hz；跨声速飞行时的脉动压力发生在机翼和尾翼上的激波振荡区域，声压级高达140 dB，频率在10 Hz左右；超声速飞行时的脉动压力发生在飞行器机翼、副翼的下表面等迎风面上出现较强逆压梯度的区域，声压级也高达140 dB，频率约为22 Hz。此外，飞行器底部等容易发生分离的部位也是容易产生较强脉动压力的位置。     

民用飞机静压孔气动布局设计

民用飞机根据静压、总压等基本测量参数，通过大气数据计算机解算得到飞机飞行的高度、速度等，因此静压测量的精确度对飞机安全性至关重要，而静压孔的气动布局直接关系到静压测量精度。对于亚声速民机，机身表面静压孔测量静压主要受飞机马赫数、迎角和构型的影响。根据CFD计算结果，采用均方差方法，确定飞机机身表面静压随马赫数和迎角变化不敏感的区域，结合飞机实际机体结构或其他设备布置的限制，确定了静压孔布局位置。采用风洞试验方法，验证静压孔测量特性，试验测量襟缝翼、扰流板、起落架以及地面效应对静压孔测量的影响量，为飞机静压修正提供重要输入。     

基于SNGR方法的二维空腔噪声数值模拟

基于SNGR方法,采用有限差分法求解带源项的线化欧拉方程。数值方法采用色散关系保持(DRP)格式。低耗散色散龙格-库塔格式显式时间推进,采用无反射远场边界条件。对二维空腔,长深比为9∶1,在亚声速、跨声速和超声速多个马赫数下进行噪声预测,并与实验结果对比,两者吻合较好。     

低频声波对水雾消散作用的实验研究

作者考查了低频声波(<50Hz)对于水雾消散的作用。通过建立声波消雾实验装置,测定了在水雾消散过程中,雾室内的声场分布、温度、消雾时间、雾滴谱的变化过程。实验结果表明声波作用对于水雾的消散具有明显的作用。并且,消雾的效果随着作用声波的频率和声压级(SPL)呈规律性的变化趋势。较低频率和较高声强的声波作用更有利于水雾的消散,在消雾的过程中温度起伏不大。而声致凝聚是声波消雾的主要因素之一。     

基于扰流板的通用飞机横航向稳定性的改善措施研究

为了适应强侧风条件下的短距起降,大型通用飞机要求在大侧滑角时依然有较好的横航向稳定性。以某大型通用运输机为对象,开展横航向特性研究工作,发现该飞机的横航向试验数据存在拐折现象,并利用理论分析和风洞试验开展了基于扰流板的通用飞机横航向稳定性的改善措施研究。研究表明:数据出现拐折现象的根本原因是机翼发生了局部分离——带侧滑角后机身引起的强烈上洗大幅度增加了迎风侧中央翼当地迎角,导致该迎角超过模型翼型失速迎角、发生局部分离。在机身侧面加装扰流板的方式干扰了上洗气流的流动,从而抑制了机翼上表面气流的提前分离,消除了横航向特征曲线的拐折现象,改善了飞机的横航向稳定性。     

基于机器学习的高速复杂流场流动控制效果预测分析

流动控制激励器是主动流动控制技术的核心，其设计水平和工作性能直接决定了主动流动控制的应用效果和应用方向。为了获得流动控制激励器的作用规律，需要大量实验研究激励参数对控制效果参数的影响，实验代价较大。利用逆向等离子体合成射流激波控制实验数据，采用机器学习中的高斯过程回归模型，获得激励器参数（头锥直径、腔体体积、放电电容、出口直径）到控制效果参数（最大脱体距离）的映射规律，对比多种核函数下高斯过程回归的预测效果，采用特征重要性分析方法分析激励器参数对控制效果参数的影响程度。结果表明:对于小样本问题，采用2次多项式核函数Poly2的高斯过程回归预测精度最高。在特征重要性分析上，头锥直径对最大脱体距离的影响程度最大；其次是放电电容和腔体体积，2个参数的影响相近；出口直径影响最小。本文工作可为高速复杂流场流动控制实验中激励器各项参数的设置提供一定参考。     

钝体超空泡倾斜穿过自由面出水实验及数值模拟

超空泡弹体带迎角地穿过自由面时，自然空化空泡转变为充气空泡，这个过程对于评估潜射导弹的可靠性非常关键。本文对该过程进行了实验研究、理论分析和数值模拟。研究发现，当超空泡倾斜地与自由面接触后，更容易形成充气空泡。当水中物体突然进入空气中，物体速度会有一个跃增。应用数值仿真软件，采用多相流模型模拟了航行体倾斜出水时超空泡从生长到溃灭的整个过程。计算结果表明，当超空泡物体接近自由面时，自由面抬高隆起，超空泡下部的压力大于上部的压力。但是通过对比实验数据后发现，计算软件中的Schnerr and Sauer空化模型不适用于超空泡与自由面相互作用之后的充气空泡。     

细长体出水动力学的实验研究及数值模拟

航行体出水过程涉及到气液两相交界,流场是非定常且高度非线性的,是一个非常复杂的过程。为了深入研究该问题,采用实验和数值模拟相结合的方法研究了细长体垂直出水过程的水动力特性。实验在二维水箱中进行,采用高速摄影仪拍摄了不同速度下细长体垂直出水流场。数值模拟采用 VOF 模型,结合动网格和 UDF 技术对相应的实验工况进行了模拟。研究了细长体水下运动过程中空泡的生长和溃灭机理,以及细长体出水时对自由液面的干扰规律。实验研究表明:(1)细长体在完全出水时刻出水速度发生突增;(2)随着细长体速度的增大,空泡产生的部位是从尾部开始,然后再在头部出现;(3)当细长体头部没有局部空泡产生的时候,细长体出水时会造成明显液面隆起现象,当细长体头部产生局部空泡后,细长体出水时,没有明显液面隆起现象,但是会产生“喷溅”现象。数值计算表明:在不产生空泡的情况下,细长体头部接近水面到完全出水的过程中,自由液面都会隆起,尾部出水时液面隆起的程度比头部出水时大。通过比较数值计算结果与实验结果,两者吻合较好。     

基于丙酮/CH2O双组分PLIF技术的横向声波激励预混火焰未燃区/预热区特性研究

热声不稳定问题是航空航天动力装置发展中的难题之一,针对预混燃烧火焰的热声不稳定机理研究是解决实际发动机热声振荡难题的必经之路。采用丙酮/CH₂O双组分PLIF同步测量技术对横向声波激励下的预混火焰特性进行了研究,获得了横向声波激励预混燃烧火焰中的未燃区/预热区分布变化情况。实验结果表明:随着激励声波声压级的增大和激励声波频率的减小,未燃区/预热区形貌的变化逐渐增强;同时,随着激励声波相位的变化,未燃区/预热区形貌呈周期性变化。对丙酮PLIF图像进行边界提取,获取了不同声波频率、声压级条件下的未燃区抬举高度、扩散面积。利用丙酮/CH₂O双组分PLIF同步测量成功捕捉到典型声波频率、声压级下的火焰形貌演化过程,并分析了该典型工况下的火焰熄灭现象及其机制。     

行星齿轮系动力学特性分析及试验研究

采用集中质量法,考虑时变刚度、齿侧间隙、太阳轮的横向与纵向位移、太阳轮和行星轮的偏心误差激励,建立了行星齿轮传动系统的非线性动力学模型。采用龙塔库特法求解了系统的响应、相图、频谱图和动力学均载系数;通过测量系统齿根应力的动载荷应变图,获得齿根应变变形的相图、频谱图和系统的均载系数。研究结果表明:理论分析结果与试验测试结果比较吻合,说明采用的理论研究方法是合理的,测试方案是可行的。     

碳氢燃料超声速燃烧室火焰稳定机制研究

在来流总温1085K、进口马赫数2.0下开展了煤油燃料超声速燃烧试验，使用高速摄像观测了火焰的形态和结构，采用平面激光诱导荧光技术（PLIF）观测了煤油和OH的分布，结合数值模拟结果分析了燃烧室的火焰稳定机制。测量结果显示:燃烧反应主要发生在射流的下游区域和凹槽区域内，随着燃料当量比的增加，火焰传播角度及火焰向主流的穿透高度增加。数值模拟结果与实验测量吻合较好。火焰稳定机制分析显示:液态煤油喷入燃烧室内，主要分布在下壁面附近的流场中，燃烧产生的高温燃烧产物通过凹槽剪切层与回流区之间的相互作用，进入凹槽并为剪切层中的空气-煤油混合气体提供稳定的热量和中间产物，使得火焰基底能够稳定在剪切层内，并以相对固定的角度向主流流场中传播。     

高强驻波声场中的湍流

反射端声压级高于140dB以后驻波管中的声流结构会发生明显变化。利用流动显示和LDV（Laser Doppler Velocimetry）技术对该问题进行了实验研究。流动显示结果表明，在160dB左右的高强驻波声场中随着旋涡结构的合并、破裂等现象的出现，声致流动有明显的湍流特性。LDV测量结果显示，随着驻波管中声压级的提高，一些测点的速度频谱明显加宽，出现高频速度脉动，而另一些点的速度频谱则没有显著变化。径向湍流强度测量结果显示，此时管中流动已是复杂的三维结构,而非轴对称的二维结构。     

燃烧室构型对超燃冲压发动机性能影响研究

对 8种进口M数为 2 .5的超燃冲压发动机模型燃烧室在各种驻点条件和燃料总体当量比下进行了实验 ,燃烧室构型、燃料壁面注射、支板注射、凹腔火焰稳定结构对发动机的性能影响进行了研究。一维简化模型进一步提出用于数据处理与分析 ,计算与实验结果基本上一致 ,对影响燃烧效率与总压损失的各因素进行了讨论。     

小波变换在水下航行体出水动响应识别中的应用

在出水过程中,由于空泡溃灭作用,水下航行体结构存在较大的横向弯曲动态响应,内部结构间存在相对运动,当响应较大时有可能发生干涉。本文应用小波变换方法,根据加速度测量数据对水下航行体出水过程中的动态响应进行了辨识,并与试验结果进行了对比分析。小波分析具有良好的时一频定位特性以及对信号的自适应能力,能对信号的高频、短时成分准确地在时域和频域中进行分析。这为水下航行体加速度信号处理提供了有效的分析手段。     

矩形截面超燃发动机不同燃烧模态下的流场特征

为研究乙烯燃料矩形截面超燃冲压发动机不同燃烧模态下的流动特性，在直连式试验的基础上对冷流和不同当量比的4个状态进行了三维定常数值模拟，比较了试验和计算结果，选择了适用于本构型的模态判别准则，给出了流道内壁面压力、一维平均马赫数的沿程分布规律，分析了各状态下流场中波系结构、流动分离及燃烧的特征。研究结果表明:采用AHL3D对该发动机进行三维计算所得壁面压力与试验壁压吻合良好，试验与计算具有较好的一致性；未注油的冷态情况下流道内形成由多道斜激波与膨胀波组成的反射波系，壁面压力波动较大，波系分布主要受流道结构影响；纯超燃模态时，燃料喷射与主流相互作用使注油位处形成明显激波，压升起点固定在注油位之后，注油位波系对流场结构的影响较大，同时分离结构分布在整个凹槽内；双模态超燃时，流道内主导波系是激波诱导边界层分离形成的斜激波串结构，燃烧室内波系较弱，此时隔离段内激波串前缘后的角区出现分离，凹槽内分离区域减小；双模态亚燃时，随着逆压梯度激波串的前移，隔离段内角区的分离面积不断扩大，凹槽内分离区进一步缩小。发动机处于双模态超燃或双模态亚燃模态时，随着激波串结构的形成与前移，部分燃烧可能在隔离段内完成；而对于纯超燃模态，燃烧仅发生在凹槽与扩张段内，化学反应与高温区的分布相对更集中。     

风洞板翅式热交换器气体流动特性试验

针对风洞板翅式热交换器,开展了其在风洞运行工况下气体流动特性的研究.对比了板翅式热交换器和椭圆翅片管热交换器的扰流和压损特性,利用试验研究了不同来流风速、不同上游扰流片角度等条件下热交换器下游湍流发展变化规律,开展了封条、模块拼接缝等特征结构对气流扰动的影响研究.研究结果表明:该型板翅式热交换器相比椭圆翅片管热交换器,...     

计及机匣相对运动的涡轮叶片叶顶凹槽流动研究

叶尖泄漏流是造成航空发动机涡轮内部损失的重要因素,而凹槽叶尖是控制叶尖泄漏流的有效手段,准确了解凹槽内的流动结构有助于认识泄漏流的流动规律和泄漏损失的物理机制。为了详细研究考虑机匣相对运动时叶尖凹槽腔内流动结构变化及其对泄漏流的影响,搭建了可模拟机匣相对运动的低速平面叶栅实验台,该实验台可以进行不同叶型、不同叶顶结构以及不同攻角等因素的研究。采用PIV技术设计了一种可以在机匣相对运动时对凹槽腔内流动进行测量的可视化测量方法。使用该测量方法捕捉到了凹槽腔内旋涡的流动结构,结合数值结果分析了不同机匣运动状态下凹槽腔内流动结构的演化过程,结果表明:刮削涡在凹槽腔内形成类似气动篦齿的封严效果,减小了间隙出口有效流通面积,降低了凹槽叶尖的射流系数,从而达到了控制泄漏流动的目的;选择合适的负荷分布和凹槽几何能够提升刮削涡的堵塞效果并扩大控制范围;均匀加载叶片使用叶尖凹槽时控制泄漏流的效果更加明显;径向间隙的大小直接影响叶顶凹槽内部流动结构的产生和演化,从而改变凹槽叶尖控制叶尖泄漏的效果。     

高超声速风洞气动力/热试验数据天地相关性研究进展

高温真实气体效应、黏性干扰效应和尺度效应等高超声速流动特性突破了实验气体动力学传统的流动相似模拟准则，使得高超声速流动现象超出了经典气体动力学理论能够准确预测的范围。如何利用地面风洞试验数据预测天上的飞行状态，即天地相关性问题，成为制约新型高超声速飞行器研制与发展的关键性科学问题。本文概述了天地相关性的最新研究进展，并重点介绍了多空间相关理论与泛函智能优化关联方法。多空间相关理论认为，从更高维度空间视角看，不同风洞的试验结果都是内在相关的，而飞行试验可视为理想的风洞试验，所以地面风洞试验数据间的关联规律包含了天地相关性问题。泛函智能优化关联方法基于风洞群（能模拟不同参数区段的不同类型风洞）的试验数据，在泛函空间中利用专业化智能学习算法，从高维度的全参数空间出发，进行降维和自适应空间变换，自动推演出不同风洞共同遵守的不变规律，从而实现风洞试验数据的关联。验证实例和应用实践都表明，多空间相关理论与泛函智能优化关联方法是有效的，是高超声速气动力/热天地相关性研究的一个新方向。