通气量对超空泡生成与维持影响实验研究

为获得通气超空泡生成和维持的通气流量设计依据,在西北工业大学高速水洞进行了带圆盘空化器航行体多种工况下通气流量对超空泡生成和维持影响的实验研究.实验结果表明:生成给定通气超空泡形态的临界通气流量与维持相应空泡形态的临界通气流量相差很大,但二者随自然空化数的变化规律相同;在保证生成稳定超空泡前提下,空泡生成相对速度和相对时间随通气流量的增大出现相反的变化趋势,且空泡生成速度与航行体速度相差较大.实验显示空泡生成速度是航行体速度的0.015~0.28倍.该研究结论将为进一步研究自由航行超空泡航行体的通气流量设计提供参考.     

水下航行体动响应影响因素敏感性分析

水下航行体在出水过程中,由于表面空泡发生溃灭,会引起结构的瞬态响应。结构动响应的大小与航行体所受流体外力直接相关,而空泡形态、航行体姿态、发射条件等都会影响航行体周围流场,使航行体所受流体动力十分复杂。本文从统计的角度出发,采用方差分析的办法,对航行体出水过程动响应影响因素进行了敏感性分析,并通过不同工况下模型试验数据,对出水速度、波浪、空泡溃灭速度、攻角等因素进行了统计分析。     

高速风洞摆动叶片式阵风发生器非定常流场数值模拟与试验验证

为降低2.4 m大型连续式跨声速风洞阵风发生器的研发风险，以中国航空工业空气动力研究院0.6 m连续式跨声速风洞为依托，设计加工了一套摆动叶片式阵风发生器模型。以此为研究对象，采用自研ENSMB流场计算软件进行了非定常流场数值模拟并进行了试验验证，分析了摆动叶片式阵风发生器下游阵风速度场形成机理及分布特性，重点开展了叶片摆动频率和最大摆动幅值等参数对叶片下游阵风速度幅值影响规律研究。结果表明:计算结果与试验结果吻合较好，叶片下游的阵风速度场是由叶片尾涡引起的，且随时间呈周期性正弦规律变化，阵风速度幅值沿叶片展向分布不均，存在较大波动；阵风速度幅值先随叶片最大摆动幅值的增大而增大，在叶片最大摆动幅值为10°时达到最大，之后无明显变化，这可能是由于摆动幅度增大后叶片失速所致；叶片摆动频率的变化仅影响叶片下游阵风速度频率，对阵风速度幅值的影响不明显。     

尾翼对超空泡航行器形态及力学特性影响实验研究

超空泡水下航行器弹道控制技术是改进与优化超空泡航行器水下弹道的一种重要方式,其中对航行器尾翼的操纵是该技术的重要环节.在高速水洞实验室中进行了缩比模型通气超空泡的生成和尾翼力学特性实验研究,重点针对尾翼安装与否、不同后掠角和不同尾翼安装位置对模型超空泡形态和力学特性的影响进行了深入的分析.通过对比不同工况空泡的外形、阻力、侧向力和法向力矩,获得了尾翼后掠角以及安装位置对细长体超空泡尾部闭合和侧平面力学特性的影响规律,同时对实验结果进行了定性和定量分析.实验证实了尾翼后掠角和安装位置是影响超空泡尾部闭合与影响模型力学特征的重要因素,并提出了实现超空泡航行器尾翼的设计规律.     

动态法测量飞行器气动静稳定性的研究

本文介绍了风洞中进行模型气动阻尼特性试验的同时,获取飞行器气动静稳定性数据的基本原理。根据动态试验的频率数据,计算了五种再入外形的俯仰力矩系数的攻角导数,并与五座风洞中得到的大量静态试验数据做了比较。表明由动态法获得的静稳定性数据是可信的;并且易于观察粘性对稳定性的影响;在零攻角(或配平角)附近,动态法比静态法显示出更多的合理性。     

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。     

1.2m 风洞大攻角动导数试验技术

介绍了１．２ｍ风洞攻角达３０°的动导数试验装置与测量系统以及在１．２ｍ风洞中对标准动态模型（ＳＤＭ模型）所作的一系列试验结果。试验的马赫数为０．６～１．２，攻角为０～３０°，振动频率为８～１４Ｈｚ，试验雷诺数为１．２×１０７～２．３×１０７／ｍ。试验所得的阻尼导数包括俯仰、偏航、滚转及滚转引起的偏航动导数随马赫数和攻角的变化表现出明显的非线性，而减缩频率的影响并不显著。天平与测试系统的重复性精度小于１５％。试验结果与国外文献数据具有很好的一致性。     

飞行器大攻角升沉平移

为了测量由升沉和平移加速度(和)产生的导数,进而将组合动导数分开,来改善飞机飞行特性的预测效果,中国空气动力研究与发展中心低速所开展了大攻角升沉平移加速度导数测量技术研究工作.采用刚性强迫振动法,研制了试验装置,测量了由升沉平移加速度产生的动导数和"静导数".给出了升沉振动试验在振幅为60mm,频率为1.0Hz、1.5Hz,α=0～45°,Re=0.76×106情况下的典型试验结果.小攻角情况下,Cm为负值,是动稳定的,且随攻角变化不大,而在大攻角情况下,由于非定常气动力的作用,Cm变化剧烈而且出现动不稳定.从典型试验结果看,该技术是成功的,所获数据是合理可靠的.     

捆绑式运载火箭跨声速气动阻尼特性试验研究

以某带助推的捆绑式运载火箭模型为研究对象，通过试验研究了该带助推的细长体弹性模型在不同马赫数和迎角下的一阶自由-自由弯曲气动阻尼特性和频率变化特性，并采用振型类似、频率降低的模型研究了减缩频率变化对气动阻尼的影响。试验马赫数范围0.70~1.05，试验迎角范围0°~10°。研究表明:迎角对火箭一阶自由-自由弯曲模态的气动阻尼和频率有影响，但规律并不明显；一阶自由-自由弯曲模态的气动阻尼受马赫数影响，并在马赫数0.90附近出现跨声速凹坑现象；一阶模态频率随马赫数增加呈下降趋势，但下降数值较小；减缩频率对气动阻尼有影响，在马赫数0.70~0.90范围内和马赫数1.00之后，气动阻尼随着减缩频率的增加而降低，在马赫数0.92~0.98范围内，气动阻尼随着减缩频率的增加而增加。     

弹性体水下发射试验的仿真研究

针对水下垂直发射航行体的弹道和载荷特性,通常需要开展大量缩比模型的弹射试验来进行辨识。开展水下发射航行体跨介质运动过程的数值仿真及试验验证研究,考虑航行体的弹性特性、与筒内减振装置的碰撞特性、航行体入水和出水冲击特性等,获得了俯仰角度和弯矩载荷随时间变化规律,仿真结果与试验结果吻合地较好。     

钝锥动态转捩风洞试验

钝锥飞行器俯仰振动时，非对称边界层转捩区前后移动相对于俯仰角运动的滞后将产生显著的非定常气动效应，导致飞行器俯仰动稳定性降低，严重时甚至会导致运动失稳。将基于气浮轴承的动态试验技术与转捩红外测量技术相结合，建立了钝锥动态转捩风洞试验技术。该技术采用气浮轴承提供俯仰运动自由且阻尼极低的支撑环境，采用红外热像仪实时测量飞行器表面整体转捩状态。开展了9°钝锥标模动态转捩试验，研究模型绕俯仰轴转动时边界层转捩区前后移动的非定常气动作用与飞行器运动的耦合效应。测量试验观察到了动态转捩试验迎角振荡现象，并发现了转捩区前后移动相对于迎角振荡的滞后现象，获得了转捩滞后时间。     

阵风发生装置流场测量与分析

以小型阵风发生装置为研究对象,采用二维热线风速仪,测量了不同工况下的阵风装置流场参数,给出了二维热线仪测量方案和在线角度修正方法,以及阵风幅值和波形稳定性计算方法。结果表明:采用风洞在线角度修正,可以提高二维热线的犢向测量精度和测试效率;采用波形相位分析方法,可以满足阵风发生器产生的周期性波形的幅值和流场脉动量分析;阵风幅值与4~15Hz 的叶栅摆动频率、8°~30°的叶栅摆动角度、50~100mm 的叶栅弦长成正比关系;阵风波形的不稳定性(等相位速度脉动量)与叶栅摆动角度、来流速度有一定的线性关系,在本试验范围内随叶栅摆动角度、来流速度的增加而增加,同时,适当的叶栅摆动频率可以降低叶栅的波形不稳定性。研究结论对阵风发生装置研制及其流场测量具有一定的参考意义。     

短钝外形飞行器自由振动动导数试验技术

为研究短钝外形飞行器的动稳定特性,基于自由振动动导数试验方法在1.2 m量级亚跨超声速风洞中建立了动导数测量试验技术。通过新设计的弹性铰链和轴承铰链解决了短钝外形飞行器弹性支撑和低频振动模拟问题。利用新建立的试验装置研究了马赫数、迎角、减缩频率对动稳定特性的影响。在短钝外形飞行器气动力特点下,新设计的弹性铰链能够满足模型支撑和振动需要,轴承铰链的支撑方式可以在风洞中模拟接近实际减缩频率的振动。在亚跨超声速风洞中完成了某短钝外形飞行器俯仰动导数的测量,获取了俯仰动不稳定状态点,为此类飞行器的动稳定特性研究提供了试验基础。     

飞行器纵向阻尼动导数直接测量实验研究

介绍了新研制的“FL-8风洞大幅升沉和俯仰耦合振荡实验系统”及采用该系统产生纯俯仰运动测量飞行器纵向阻尼动导数的试验技术，给出了部分试验结果。实验结果表明，阻尼导数和时差导数在中、大迎角时存在明显的非线性耦合，采用纯俯仰运动直接测量的阻尼导数在整个迎角范围内都是合理的。     

基于合成射流的旋翼翼型动态失速控制研究

针对直升机旋翼工作环境下来流速度和迎角(Angle of attack,AoA)耦合引起的动态失速问题,建立了基于合成射流的旋翼动态失速控制的数值模拟方法。采用运动嵌套网格方法,通过对翼型的平移和旋转实现变来流速度-变迎角的耦合。以积分形式的雷诺平均N-S方程为主控方程,空间离散使用Roe格式,时间离散为隐式LU-SGS方法,以OA209翼型为研究对象,在翼型上表面放置合成射流激振器,开展了射流位置、动量系数、无量纲频率以及偏角等参数对轻度失速、深度失速下翼型动态失速控制的研究。研究发现,轻度失速下,射流位置靠近气流分离点时(20%c附近,c为翼型弦长),对逆压梯度引起的轻度失速控制效果最佳。深度失速下气流分离点虽在5%c之前,但射流位于前缘分离泡后端(10%c附近)时控制效果较好。大迎角需要较大的动量系数才能有效控制。射流频率对涡结构的尺寸和数量会产生一定影响,能改变气动特性波动幅度。较小的射流偏角对轻度失速的控制更有效,而深度失速则需要较大的偏角。     

FL-11风洞旋翼翼型俯仰/沉浮动态试验装置的研制

为全面开展直升机旋翼动态失速研究,在FL-11风洞研制了俯仰/沉浮两自由度动态试验装置。首先设计试验装置的机械结构,并利用有限元法对机械支撑框架和运动基座进行静力学和模态分析;其次采用多电机同步驱动实现翼型俯仰和沉浮运动,利用SIMOTION D和S120构建的运动控制系统保证控制精度;最后利用基于龙门轴锁定增益补偿算法的同步控制技术提升电机同步精度,并通过电子凸轮技术实现振幅和频率的无级调节。结果表明:该装置能实现俯仰、沉浮振荡运动以及耦合振荡运动,俯仰运动最大振幅为15°、最高频率为5 Hz;沉浮运动最大振幅为130 mm、最高频率为5 Hz;角度和位移精度分别为3′和1 mm。该装置已成功应用于CRA309翼型动态气动特性风洞试验,为深入研究动态失速特性提供了试验平台。     

一种新型垂尾抖振抑制方法实验研究

现代高性能三角翼/双垂尾布局战斗机的垂尾结构普遍受到严重的非定常抖振载荷的困扰。根据自诱导理论提出了一种新型的垂尾抖振抑制方法,利用机头处的静态或振动式硬质鼓包,使三角翼前缘涡涡核弯曲、扭转,从而改变前缘涡的轨迹,延缓涡的破裂,减弱前缘涡破裂尾迹在垂尾周围流场处的脉动强度,以达到抑制垂尾抖振的目的。在西北工业大学低湍流度风洞实验室进行了风洞实验,实验所用模型为一个铝制的全机模型,该模型由一个70°大后掠的三角翼,以及两个31°后掠的垂尾组成。风洞内实验段的风速为10m/s 以及20m/s,迎角范围为20°~50°。实验目的是测量机头处的静态或振动式球形鼓包对垂尾抖振的抑制效果。在尾翼根部两侧粘贴有半桥连接的应变片,用以测量尾翼根部的应变,以此应变作为尾翼抖振强度的衡量标准。实验结果表明,不论是静态的还是振动式的鼓包都不同程度地减缓垂尾的抖振响应,振动式鼓包对垂尾的抖振抑制效果与鼓包的振动频率有关。某一侧的鼓包仅对该侧的垂尾抖振有抑制效果,它不影响另一侧垂尾的抖振响应。频谱分析的结果表明,鼓包在抑制垂尾抖振的同时并没有改变垂尾振动的主频。     

载人飞船返回舱的动稳定性

载人飞船返回舱动稳定性的地面模拟试验方法有强迫振动法、有限自由振动法、自由翻滚法和模型自由飞试验法。试验结果表明，在配平攻角区阿波罗返回舱除马赫数Ｍ＜０．７以外，一般都具有俯仰正阻尼特性。双子星座返回舱在配平攻角区，当Ｍ＜２．５时存在俯仰负阻尼特性。钝头气流分离效应、后体气流再附效应、船尾近尾流效应和动态时滞效应等对静、动稳定性都有相反效应。这些效应会使返回舱的静稳定性增加，而使动稳定性降低。角振幅增大会使返回舱的平均俯仰阻尼增加，马赫数增大使俯仰阻尼降低。     

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。     

自由落体下落速度振荡现象的研究

为了研究自由下落物体的速度震荡现象,基于相对运动原理,应用立式风洞研究了5种典型形状的物体在上升气流中的悬浮特性。模型包括球形、正方体、长方体、短圆柱体和碟形等刚体。风速的平均值由皮托管风速计测得,同时通过CCD相机记录了物体达到悬浮状态前后的运动状态并进行了定量分析。实验结果表明:对称性较好的物体具有较稳定的悬浮特性;而非对称性物体,由于不同姿态角下的阻力系数和扭矩系数不同,很难维持一个稳定的悬浮状态,将伴随姿态的变化不断发生振荡运动。从而说明,空间形体对称的物体自由下落过程中可以达到较稳定的最大下落速度,而形体非对称的物体则难以达到确定的最大速度。除实验研究之外,还采用动态网格数值模拟手段计算了二维方形模型下落过程中的姿态角及运动轨迹,同时得到模型不同姿态角下的阻力和扭矩,计算结果也进一步解释了物体下落速度会发生振荡的原因。