大型低温风洞结构设计关键技术分析

高雷诺数的模拟对飞行器的研制至关重要,是衡量风洞模拟能力的主要参数,低温风洞是工程上实现高雷诺数模拟的有效途径.作为低温风洞主体的洞体机械系统是其核心承载和功能设备,具有结构复杂、功能集成度高、可承受交变载荷等特点.通过分析国外低温风洞设计建设历程,结合国内低温风洞工程技术现状,对大型低温风洞洞体机械系统结构设计的关键...     

天空飞行与地面风洞实验动态气动相关中的雷诺数影响

近10余年来,在3个动态气动专题领域内,地面风洞自由飞实验与对应的天空飞行器的绕流雷诺数虽然相差1~2个量级,但风洞自由飞实验结果多次预测或再现了天空飞行器出现的对飞行安全、飞行性能产生严重影响、其它地面风洞实验方法难以预测或再现的这3个专题领域内的动态气动特性,这至少为3个专题领域内天地动态气动相关中的雷诺数影响,提供了一个新的理解。     

天空飞行与地面风洞实验动态气动相关中雷诺数影响

近10余年来,在3个动态气动专题领域内,地面风洞自由飞实验与对应的天空飞行器的绕流雷诺数虽然相差1~2个量级,但风洞自由飞实验结果多次预测或再现了天空飞行器出现的对飞行安全、飞行性能产生严重影响、其它地面风洞实验方法难以预测或再现的这3个专题领域内的动态气动特性,这至少为3个专题领域内天地动态气动相关中的雷诺数影响,提供了一个新的理解.     

仿生微型扑翼飞行器中的空气动力学问题研究进展与挑战

对仿生微型扑翼飞行器相关的空气动力学问题的研究进展进行了综述,并分析了未来发展面临的机遇与挑战。与自然界的飞行生物相比,目前仿生扑翼飞行器的飞行能力还很笨拙,距离高仿生还有较大距离。其中,所涉及的低雷诺数非定常空气动力学问题成为研究者在深入研究时面临的一个主要难题,关键在于数值模拟和风洞实验均难以准确模拟飞行中的实际状态。具体面临的难题主要包括:(1)仿生微型扑翼飞行器所处的雷诺数为103~105量级,属于对转捩与湍流非常敏感的区域,相关的气动机理复杂;(2)柔性翼在飞行中密切相关的动气动弹性问题;(3)高机动飞行导致的动气动弹性耦合飞行力学问题;(4)扑翼飞行的复杂姿态对飞控系统的挑战及反馈耦合算法的设计等。这些层层深入的多学科耦合难题导致了目前具备的研究手段难以为仿生扑翼飞行器的研究提供定量的分析与改进设计。在解决上述难题的基础上,未来可进一步在高机动灵活飞行姿态方面进行深入研究,对仿生柔性翼的刚度分布开展详细设计,使仿生扑翼飞行器具有像自然界飞行生物一样的主动变形能力,可在复杂的环境下具备高机动飞行能力,最终实现高仿生外形和性能的人造飞鸟或人造飞虫。     

大型低温风洞模型进出系统关键技术分析

模型进出系统是大型低温风洞的重要组成部分,是实现低温模型更换的核心系统.大型低温风洞模型进出系统具有结构复杂、规模大、功能集成度高、对环境条件要求高等特点.通过对国外低温风洞模型进出系统设计建设历程的回顾,结合国内相关技术现状,分析讨论了大型低温风洞模型进出系统设计的关键技术,阐述了模型进出系统大空间低露点干燥系统、宽...     

新型空气低温跨声速原理性风洞研制

为解决常规风洞雷诺数模拟不足的问题，采用低温风洞已被证明是一条可行的途径。目前世界上几乎所有运转的低温风洞都是采用液氮气化吸热方法来降低和保持试验气体的温度。对于大型低温风洞，这种制冷方案存在着运转费用高昂和环境污染的缺点。为克服上述缺点，俞鸿儒院士提出了一种用空气作试验气体，藉热分离器制冷并回收排气冷量的新型低温风洞的概念。此原理性风洞的研制就是要从其基本原理、设计特点及实验结果等方面来验证和探讨这种新概念的可行性和应用前景。     

建造中的我国低速增压风洞

论述了在我国建造低速增压风洞的必要性；介绍了国外低速高雷诺数风洞发展现状；提出了衡量现代生产性风洞性能的标准；给出了正在建造的我国低速增压风洞的主要技术性能及设计和建造中的技术关键。     

风洞虚拟飞行试验模拟方法研究

风洞虚拟飞行试验是把飞行器模型安装在风洞中具有三个转动自由度的专用支撑装置上,让三个角位移可以自由转动或者按照飞行器的飞行要求实时操纵控制舵面,来实现较为逼真的模拟飞行器真实机动运动过程,进而达到探索其气动/运动耦合机理的目的.发展风洞虚拟飞行试验,其模拟方法是必须要解决的核心理论问题.针对某典型导弹,开展了铅垂平面内三自由度俯仰运动的开环控制和闭环控制飞行仿真模拟,分析了风洞虚拟飞行试验和真实飞行之间的主要差异及其影响,研究了风洞虚拟飞行试验的模拟方法.结果表明:对铅垂平面内的三自由度俯仰运动,采用俯仰角速度反馈的经典三回路自动驾驶仪闭环控制方式,风洞虚拟飞行试验能够较为逼真地模拟真实飞行过程.     

大型连续式跨声速风洞总体方案与关键技术研究

大型连续式跨声速风洞具备飞行器外形精确模拟、气动弹性评估和机体/推进一体化设计等试验能力,试验段尺寸大、指标要求高、系统规模大、运行功能多.围绕大型连续式跨声速风洞的特点,简要介绍了大型连续式跨声速风洞总体设计方案,重点介绍了世界一流流场品质实现、大型轴流压缩机及其驱动系统研制等关键技术的初步研究成果.     

几何尺度对GAW-1两段翼型升力特性的影响

在大型飞机和高速飞机的起降过程中增升装置空气动力性能的好坏对飞机有着举足轻重的影响.飞机增升装置通常采用多段翼型形式.在飞机设计阶段,一般是采用风洞实验的方法对多段翼型的气动性能进行评估.由于风洞的尺寸和动力所限,实验的模型和实验雷诺数都小于实际飞行情况.在数据的使用时,一般认为实验数据进行雷诺数修正即可.通过实验研究发现,即使雷诺数相同,几何尺度对两段翼型升力特性的影响也是非常显著的.建议在风洞实验中重视几何尺度对气动性能的影响.该研究结果和研究思路可供增升装置的设计和实验研究人员参考使用.     

CARDC 0.1米低温风洞的工程设计和运行特性

为研究低温风洞的设计运行技术,CARDC(气动中心)建成了0.1米×0.1米低速低温风洞。本文叙述该风洞的结构、供氮系统和排氮系统的设计特点和运行结果。当马赫数范围为0.04～0.25,风洞气流总温最低降至93开,单位雷诺数最高达40×10~6/米时,风洞的运行能力超过25分钟。     

未来的新型无风低速风洞

高升力飞行风洞(HiLiFT)是一种未来新型无风的低速风洞，它将是空气动力地面试验的一个革命性突破。目前使用的风洞是试验介质被驱动流过静止的模型，而高升力飞行风洞的概念是利用已有的磁悬浮和高速动输工业的线性电机推进技术推动试验模型通过含有静止试验介质(空气或氮气)的管道。它与传统的拖槽(海试设备)也不同，飞行风洞中的试验介质可以实现温控和增压，以实现现有地面试验设备无法达到的低速高雷诺数要求。利用压力、温度和管道直径的各种不同组合，可以实现以下两点：一是在马赫数等于0.3时，全翼展雷诺数能达到7×107，相当于…     

HIFiRE项目中气动/推进一体化高超声速飞行器设计研究

美澳通过HIFiRE项目在高超声速飞行器的气动、推进和控制等领域进行了深入探索，并对一体化设计有动力飞行器的高速性能进行了评估。以单项验证、步步推进的系列飞行试验方式，对乘波体布局以及不同动力方式开展原理研究，结合飞行试验对设计状态进行验证，取得一系列有价值的飞行数据和阶段性成果。通过梳理气动/推进一体化过程中相关飞行试验，提炼出总体设计中的关键技术和试验结论，并对有动力飞行器的发展趋势作了分析。研究显示发生转捩的单位雷诺数范围在3×106~4×106之间，适应小迎角高升力特点的乘波体与超燃冲压发动机的组合成为优选方案，所取得的成果为带超燃冲压发动机高速飞行器总体方案设计提供了一定的参考。     

产生风洞低温试验气流的新途径

降低风洞气流总温是提高亚、跨声速风洞雷诺数的有效方法。现有采用液氮致冷的生产型低温风洞能满足设计各种新型飞机进行气动试验所需的雷诺数要求，但由于需耗用大量液氮，导致运行费用高昂，此外，排出大量低温缺氧气体还严重影响生态和环境，为此本文提出一种新颖的致冷途径。首先在风洞排气口添置双向式热交换器。利用排气携带的冷量将流入风洞的压缩气体预冷。既回收利用了排气的能量，同时还将排气温度提高。预冷过的压缩气体再通过热分离器进一步将温度降至近冷凝点或使其凝结，分别用作直通型或回流型低温风洞的气源。原理性实验结果及其推算表明：常规风洞使用的中压气源就能满足常压、低温风洞运行要求。     

高速风洞大振幅俯仰动态试验技术研究

在高速大迎角时的动态气动特性是衡量新一代高机动飞行器气动性能的重要参数之一。笔者介绍了在CARDC的FL 21与FL 24高速风洞配套的大振幅俯仰动态失速实验系统。该系统包括:FL 21与FL 24高速风洞大振幅俯仰运动机构;俯仰运动控制系统;数据采集与处理软件系统。该系统可以在高速风洞中真实模拟飞行器大振幅俯仰运动,并测量其相应的非定常气动力的变化,也可以为飞行器的飞行力学动态性能分析或飞行模拟器提供非定常气动力数据。试验研究初步揭示了航天飞机OV102模型高速大迎角俯仰运动的动态气动特性。     

战斗机模型大迎角风洞实验的雷诺数影响实验研究

介绍了两个战斗机模型大迎角风洞实验雷诺数对实验数据的影响，分析了造成这种影响的原因以及为获得能反映高雷诺数流动特点的稳定气动数据所采用的实验模拟技术，重点描述了雷诺数对大迎角俯仰力矩、零侧滑偏航力矩和滚转力矩的影响，探讨了零侧滑偏航力矩（Ｃｎ０）对不同的模型头部构型随侧滑角变化的迁移情况。对于大迎角飞行的歼击机，雷诺数的影响不只在风洞实验中存在，在飞机试飞过程中也存在，地面模拟设备应最大限度地提高模拟能力，准确预测雷诺数的影响，给出稳定可靠的实验数据。     

低雷诺数效应对0.6m连续式风洞性能影响

风洞试验中通常采用降低运行总压的方法来扩大风洞雷诺数模拟的下边界。同常压试验相比，在低雷诺数条件下，风洞流场是否存在明显变化，风洞流场品质是否满足指标要求，直接影响风洞试验数据的精准度。为了研究低雷诺数效应对0.6m连续式跨声速风洞性能（包括轴流式压缩机性能、总压及马赫数控制精度、流场均匀性）的影响，调试人员在0.6m连续式跨声速风洞中开展了大量相关试验，本文在对试验结果进行整理、分析的基础上，给出了Re对风洞性能的影响。结果表明:（1）Re对压缩机性能、总压控制精度、马赫数控制精度、流场均匀性都有明显影响，当Re_c<5×105（c=0.1√A）时，雷诺数效应明显，且Re越小，影响越大。（2）0.6m连续式跨声速风洞能够真实、准确反映Re对风洞流场性能和测力试验数据的影响规律，是开展高空低雷诺数飞行器、翼型、发动机等性能研究的理想地面模拟试验平台。     

脉冲燃烧风洞与常规高超声速风洞数据相关性研究

不同风洞因模拟来流参数不同，对高超声速飞行器气动力试验结果影响很大。总结了脉冲燃烧风洞和常规高超声速风洞不通气标模的试验和计算结果，分析了水凝结、雷诺数、壁温比对模型气动性能的影响规律。脉冲燃烧风洞获得的气动性能变化规律与常规高超声速风洞一致，脉冲燃烧风洞获得的阻力系数比常规高超声速风洞阻力系数大15%左右，其中雷诺数影响较小，在5%以内，壁温比影响较大，在10%以上。结合数值计算对造成差异的原因进行分析，认为壁面传热对边界层速度型的影响是主要因素。     

飞行器热防护结构的相似准则问题研究

高速飞行带来的气动热与热防护问题是制约高速飞行器系统提高技术水平和能力的一个主要技术瓶颈。在飞行器结构设计过程中,对飞行器结构进行考核试验必不可少。受风洞设备试验能力限制,试验模型尺寸、来流条件等与实际飞行通常存在较大差异,要在试验中完全模拟实际飞行环境、温度和应力状况无法做到。对飞行器进行缩放处理后进行模型的风洞热结构考核,并通过相似准则获得真实结构的温度/应力分布特性,为飞行器热防护设计提供支撑有着迫切需求。本文通过热传导方程和热弹性动力学方程组,对其中的模型相似参数进行讨论,并根据模型试验边界情况进行了讨论研究。提出了飞行器热防护结构地面考核试验的相似准则,并建立了不同试验类型情况下需要遵循的相似准则条件。该相似准则体系具有较大的灵活度,同时具有很高的实用价值。     

亚声速二喉道流场不对称现象研究

为满足未来我国先进飞行器的发展需求,我国将考虑建设大型跨声速风洞,提高风洞试验模拟精细化水平。而第二喉道作为风洞 Ma 数控制的有效手段,被认为是提升跨声速风洞能力的关键技术之一。本文首先通过CFD 数值模拟发现了二喉道段流场在某些压比下存在不对称现象,然后,利用现有引导风洞,设计加工了 Ma=0.7的带可变中心体的二喉道段进行验证试验。试验结果显示,当前室总压达到某一值时,二喉道段流场会出现不对称现象,并前传影响试验段流场品质。最后利用 CFD 手段给出了一种无不对称现象的新型二喉道设计。