低速风洞固定地板附面层控制实验研究

在飞机起降和车辆的风洞试验中，通常采用固定地板来模拟地面，但固定地板附面层的存在对试验数据产生了不可忽略的影响。因此，需要采取一定措施控制地板表面上的附面层影响。采用附面层吸除方法对于中国空气动力研究与发展中心8m×6m低速风洞的大面积地板来说效果较好、可行性高。研制了含有可单独控制的48个吸气单元共192个吸气孔的地板，集成了以水环真空泵组为基础的真空吸气和控制系统。在70m/s的风速下，通过试验获得了10种地板分布式吸气控制方案对地板附面层厚度的影响规律，得到了将附面层厚度控制在30mm的最佳吸气控制方案。在最佳控制方案下，测量得到风洞流场气流偏角为-0.14°，验证了附面层厚度不受地板在风洞中安装高度的影响。最后，采用C919飞机模型完成了吸气地板和不吸气地板的对比试验，得出在迎角8°以上，吸气地板使C919飞机试验获得的升力系数减小，阻力系数增加，俯仰力矩增加。     

三维管内激波/湍流附面层干扰流场的数值模拟

给出了可压缩性及曲率修正两方程湍流模型，用它对跨音速三维喷管管内激波／湍流附面层干扰流场进行了数值模拟；给出了不同纵向截面上的激波结构、等马赫线图和四周固壁上的摩擦力线谱。将计算所得的摩擦力线谱、激波结构与实验结果进行了比较。分析了横截面上的流动结构，计算与实验吻合较好，进一步证实可压缩性及曲率修正两方程湍流模型能够较好地模拟激波／湍流附面层干扰流场，满足工程设计和分析要求。     

B/L湍流模型在强压力梯度流场计算中的应用

对在湍流计算中已得到广泛应用的Ｂａｌｄｗｉｎ／Ｌｏｍａｘ（Ｂ／Ｌ）代数湍流模型进行了修正。修正后的Ｂ／Ｌ模型考虑了压力梯度及物面引射速度对内层ＶａｎＤｒｉｅｓｔ衰减因子的影响。与此同时，文中还用修正的Ｂ／Ｌ湍流模型对亚声平板附面层流动、拉伐尔喷管内的正激波／湍流附面层干扰流动进行了计算。计算与实验结果比较表明，修正后的Ｂ／Ｌ模型不仅可以更准确地计算具有强压力梯度的激波／附面层干扰区内流动压力分布，而且还可以准确地预报激波／附面层干扰引起的流动分离，从而为Ｂ／Ｌ模型的工程应用开拓了领域。     

超声速流中激波/湍流附面层干扰数值模拟

采用修正的B／L湍流模型以及多块结构化网格求解了二维N-S方程。分别对超声速流和高超声速流中的激波／湍流附面层干扰进行了数值研究。本文首先研究了进口马赫数为2．96的超声速流。计算结果准确预测了入射斜激波在平直壁面引起湍流附面层分离的流动特征：分离点的反射激波、分离包引起的膨胀扇以及再附点的反射激波。计算的壁面压力分布与实验值吻合较好，计算的分离区长度与实验值比较有一定误差。本文还对进口马赫数为9．22的高超声速流中压缩角引起的激波／湍流附面层干扰进行了数值研究。计算结果与实验结果吻合较好。     

后掠机翼欧拉方程数值模拟

本文对后掠机翼用保角转绘加剪切变换生成C-H型网格,并在这类网格拓扑上,用Jameson的三维欧拉方程有限体积法,四步Runge-Kutta时间推进格式,研制出可供分析三维后掠机翼亚、跨、超声速绕流的计算程序。本方法的特色是改进了机翼表面网格点的分布,使机翼后缘与网格线一致。在数值计算中,通过附面层位移厚度计算,引入了附面层粘性修正,改善了计算结果。     

地效试验数据的估算研究

基于低速风洞试验的不可压缩势流理论,针对飞机地效试验,提出由无地板下的试验数据通过计算得到任意地板高度下相应数据的方法。将利用此方法得到的计算结果与带地板试验数据对比,论证了该方法的有效性。进一步研究表明,采用已有的带地板试验数据对计算结果进行差量修正,可有效减小该方法的计算误差。     

粘性非结构网格生成方法及绕流计算

运用非结构网格进行计算时，需要在物体附面层区域内生成高展弦比的三角形网格。本文给出了一种基于物理学中弹簧原理的粘性非结构网格生成新方法－－挤压法，它能有效地实现粘性区域内位伸网格到附面层外一般非拉伸网格的光滑过渡。然后在非结构粘性网格上对Ｎ－Ｓ方程运用有限体积法进行了数值计算，ＮＡＣＡ－００１２翼型以及平板层流的数值试验结果较为满意。     

“大涡破碎”的紊流减阻实验研究

本文对当今国外曾提出的紊流表面摩擦减阻新概念——“大涡破碎”(LEBU)进行了初步的风洞实验探索。将具有对称流线型剖面的二元小肋,沿垂直于气流的方向安置在平板表面的紊流附面层内某一高度处,收到了不同程度的减阻效果。实验中分别考察了小肋的安置位置L,安置高度H,迎角θ及相对厚度b等参数对减阻效果的不同影响。从紊流附面层涡结构的观点出发,提出紊流的“细化”作用是小肋对平扳减阻的根本原因,并认为改善紊流附面层的速度型是研究紊流减阻的一种手段。实验使用自制的高灵敏度摩擦天平,测得的减阻效果与Ludwieg—Tillman公式的计算结果基本一致。     

弹翼热应力分析技术

将热应力分析所涉及到的非定常外热源、瞬态温度场、瞬态热位移及热应力的三类计算,统一编程,统一计算。外热源计算应用二元流附面层理论,温度场计算在时、空两个域内都采用有限元素法,热位移及热应力计算中用到的板弯元是非协调元。所有用到的三角元都可以是等厚的、变厚的或空心的。     

二元内流通道内湍流附面层分离的数值与实验研究

本文应用激光多普勒测速仪测量了二维扩压器中不可压湍流附面层分离流动,得到了时均速度和表面压强分布,表面摩擦系数和时均速度分布经验关系式做了比较。预测中采用准同时粘性/无粘流匹配模型,并比较了两种形状因子H_1经验关系式所得预测结果。在最大反流以前,所预测的附面层位移厚度及形状因子与实验吻合。     

有限接地板对圆形微带天线辐射特性的影响

本文探讨有限接地板及其边缘劈形状对圆形微带天线辐射特性的影响。文中用接地板边缘绕射场与微带天线直接辐射场相对相位合成的方法改善圆形微带天线前向辐射特性的计算精度和计算其后向辐射方向图。微带天线直接辐射场用磁壁围成的腔体模型进行计算;边缘绕射场的计算,在E面采用一致几何绕射理论(UTD),在H面,由于边缘一阶绕射场为0,本文引入斜率绕射计算前向辐射方向图,用等效流法计算E在整个接地板边缘产生的绕射对H面后向辐射方向图的贡献。算例表明,本文的计算结果与可资比较的实测曲线吻合一致,而文[1]E面前向辐射方向图的计算结果与实测曲线比较,最大误差高达5dB,证明本文方法提高了计算精度。本文给出了具有不同尺寸、形状和不同边缘劈角的接地板的圆形微带天线的辐射特性,得出了利用改变有限接地板的几何特性参数来控制微带天线辐射方向图的途径。     

带粘性的超音速轴对称进气道流场计算

本文介绍了一种带粘性的超音速轴对称进气道流场的计算方法。使用这种方法,附面层和无粘流场用分开的程序交替地计算,几经迭代,直到前后二次无粘流解的压力分布一致为止。作为验证,本文计算了某型飞机1:7进气道模型带粘性的超音速流场,并与风洞试验结果作了比较。结果表明,带粘性的流场计算比无粘流场计算,可以更准确地预报实际的流场。     

控制机翼附面层分离的涡流发生器实验研究

本文在微型涡流发生器控制超临界翼型附面层分离实验研究的基础上,在低速风洞中研究了微型涡流发生器弦向位置和安装偏角对超临界机翼附面层分离控制效果的影响。研究结果表明,微型梯形涡流发生器对超临界机翼附面层分离的控制主要起减阻作用;其弦向最佳位置在分离线前约4倍涡流发生器高度之间;最佳安装角为35°。     

典型几何和流动参数对高超声速进气道性能的影响

用N-S方程模拟了一系列典型二元高超声速进气道内压缩通道及隔离段模型,模拟发现内压缩通道及隔离段增压比、温升比和总压恢复系数等性能参数主要受面积收缩比、内压缩通道收缩角、隔离段长高比等几何参数以及内压缩通道进口马赫数、密度、附面层厚度等流动参数的影响。内收缩比和内收缩通道收缩角的增大都会使压缩增强;隔离段内沿程平均温升比、马赫数和总压恢复系数曲线则均接近平行直线。内压缩通道进口马赫数的增大也会使压缩增强,但较小的进口马赫数可能引起分离,进而增大增压比;而进口密度增大使附面层变薄,对气流的压缩减弱;进口附面层厚度对沿程平均温升比、增压比以及马赫数的影响近似线性。     

跨音扩压器出口流场的动态特征

本文用实验方法研究了二堆跨音扩压器内振荡中的激波与附面层相互作用所形成的出口流场的动态特征及等直延伸管内紊流的沿程发展情况。所用的两个实验模型,面积比均为1.37,扩张角分别为3°和8°。研究结果表明,跨音扩压器出口流场的稳态和动态畸变与扩压器中附面层发展状态密切相关,而附面层的汇合对等直延伸管内紊流的发展起着决定性的作用。在超临界深度相同时,3°模型的激波强度虽然低于8°模型,但其出口流场的动态品质却劣于8°模型。     

轴对称超音速进气道附面层控制实验研究

本文介绍了在缩尺比为1:10的超音速飞机轴对称进气道几何喉道附近的中心锥体表面上,开了槽宽为4δ的附面层吸除缝,在自由流马赫数M_∞=2.10,迎角α=0°,以及在相同的结尾激波位置,或相同的尾塞锥位R°,不同的附面层吸除量对进气道性能的影响的初步研究结果。实验证明,在R°=0.91～0.94或流量系数φ=0.90～0.94内,用0.01的进气道捕获流量的锥面附面层吸除量,进气道的总压恢复可比无附面层吸除提高4—5.8％;周向稳态畸变降低10～54％;喘振裕度在4°～8°下,可提高5～10％。文中还特别介绍了锥面附面层吸除对几何喉道下游的通道总压分布和马赫数分布的有利影响;不同尾锥位或不同结尾激波与放气区相对位置下,附面层吸除量对锥面或外罩内表面沿程的静压恢复的影响;解释了在超临界下,中心锥肩部放气效果最差,而在稍亚临界下,波后放气效果较好的原因。     

激波与附面层干扰问题

本文概述了激波与附面层干扰问题的历史发展;介绍了它的分类与现实意义、需要研究的内容与已经取得的成果;在指出了解析解法存在的问题后,特别对70年代以来用Navier-Stokes方程数值解本问题作了重点说明,包括数值计算中的几个关键问题,以及未来改进的途径。     

模拟叶尖间隙流的转动平面叶栅实验方案

通过对动叶叶尖进口端壁附面层的性状分析指出：采用平面叶栅模拟动叶叶尖间隙流时，端壁面静止和仅有端壁面运动进口端壁附面层与真实情况存在较大差异。根据转子静止、静子转动这一相对运动思想研制出动叶叶尖间隙流实验台。通过对叶尖附近叶片表面静压分布和间隙泄漏流量实验测量表明：端壁面与叶片之间的相对运动、进口端壁附面层内速度分布是对叶尖间隙流有重要影响的因素。     

半柔壁喷管型面设计与校准方法研究

半柔壁喷管是跨超声速风洞柔壁喷管的一种类型,由喉道块、可变型面的柔板及出口端板等部分构成。半柔壁喷管具有长度短、支撑机构数量少、建设成本低、系统可靠性高、运行维护成本低等优点。鉴于半柔壁喷管的各项优点,航空工业气动院的0.6 m连续式跨声速风洞和2.4 m连续式跨声速风洞均采用半柔壁喷管。本文以0.6 m风洞的半柔壁喷管为例,详细介绍航空工业气动院的半柔壁喷管型面设计方法,主要内容包括曲率连续的喷管无黏型面设计方法、曲率连续的附面层位移厚度计算方法、喷管型面的迭代设计方法、半柔壁喷管设计方法和喉道块上游型线设计方法。本文提出了一种根据计算流体动力学（Computational fluid dynamics, CFD）和流场校测结果调节附面层位移厚度的喷管型面校准方法,有效地提高了喷管型面出口马赫数的精准度。半柔壁喷管流场校测结果表明,半柔壁喷管菱形区的马赫数偏差小,流场均匀性良好,达到国军标先进水平。     

DSMC方法模拟微尺度流动时的特征参数选取

利用DSM C算法对微尺度平板附面层流动进行了数值模拟研究,分析了算法中3个主要特征参数:采样循环数、单位网格粒子数和子网格数对模拟结果的影响。分析结果表明,当采样循环数增加到一定程度后,计算结果趋于一致,考虑到计算机时,采样数取8左右为宜;单位网格粒子数过多或过少都会使计算机时增加,太少了还会影响计算精度,建议4~5个左右合适;子网格数对运算时间影响很大,分析认为每个网格内的子网格数为4时最为节约计算时间。最后通过微通道内流动计算进一步验证了本文参数选择方法的可行性。