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。     

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。     

风力机翼型阵风响应计算与分析

基于网格速度方法,对阵风条件下风力机翼型运动的气动特性进行数值计算。中心格式有限体积法、双时间推进法求解预处理后的非定常N-S方程。计算结果表明:在弦向阵风作用下,翼型的运动能有效降低响应波动峰值,即弦向阵风对运动影响较小;而在法向阵风作用下,气动响应波动很大。计算翼型在不同参数阵风作用下的响应过程,阵风的频率变化对响应影响不大。弦向阵风的幅值增大,叶片运动对阵风响应峰值减缓效果增加;法向阵风的幅值增大1倍,响应峰值也增加1倍。     

FL-12风洞突风试验装置研制

论述了在FL-12风洞研制的垂直和水平两种突风发生器,两者都是通过电机驱动凸轮、凸轮带动连杆使叶片摆动,改变电机的转速和凸轮的偏心距来产生叶片不同的频率和振幅,同时还介绍了两种突风发生器的优缺点、安装方法以及减振隔振措施.通过突风流场的测量,得出:突风区域内左右和上下位置突风流场变化较小,前后位置突风流场变化规律为离叶片越近,正弦规律越明显,突风流场越纯正;离叶片越远,正弦风速受干扰越大,突风流场越不纯正;正弦突风流场的风速幅值与来流风速、叶片个数、叶片摆动频率和测点距叶片的风洞轴向距离有关,并且都是正相关的关系.最后简要介绍了突风响应及减缓两期试验,试验结果表明:突风发生器能产生均匀的垂直和水平突风流场,突风频率和强度均可满足弹性模型突风试验要求,FL-12风洞具备了突风响应试验研究技术.     

微型涡流发生器对超临界翼型减阻机理实验与数值分析

针对安装在超临界翼型后部的微型涡流发生器减阻问题，先用风洞实验测出微型涡流发生器对超临界翼型升阻特性的影响，然后采用RANS方程和κ-ε湍流模型进行数值模拟，分析安装在超临界翼型后部的微型涡流发生器减阻原因。研究发现:微型涡流发生器使下游近壁面处低能气体向上卷起与外层高能气体掺混，近壁面平均湍动能增加、翼型后部脉动压强增大，压差阻力减小；湍流应力由速度梯度、湍流粘性系数和脉动压强共同决定，虽然气流掺混，弦向速度法向梯度减小、湍流粘性系数减小，但展向速度法向梯度和脉动压强增大，湍流应力增大，摩擦阻力增大；微型涡流发生器尺寸很小，完全浸没于附面层内，仅掺混与它高度相当的附面层内流体，对附面层厚度影响小，对翼型升力影响小。     

二维翼段阵风载荷减缓主动控制

针对二维翼段阵风载荷减缓主动控制,设计了阵风发生器,以在垂直来流方向产生稳定的简谐流场。设计了次最优控制器,并考虑沉浮、俯仰方向的阻尼不确定因素以及超声电机建模时存在的误差,设计了H_∞控制器。数值仿真与风洞实验表明:两种控制器均能对二维翼段阵风载荷起到减缓的作用。通过对比两种控制器的阵风载荷减缓效率发现:虽然在数值仿真中次最优控制器比H_∞控制器具有更好的减缓效果,但风洞实验中H_∞控制器的减缓效果更好,且实验结果与仿真结果更加吻合。     

自适应遗传 PID 算法在风洞风速控制中的应用

风速控制是风洞的核心控制部分,风速控制系统的优劣直接影响风洞性能指标,为了完成 FDxx 风洞的风速控制系统,设计了一种基于自适应在线遗传算法的 PID 参数整定方法,在风洞气源资源有限的情况下,快速建立流场,确保流场稳定时间。首先对控制参数进行联合编码,在种群个体进化前期采用锦标赛精英保留策略,后期采用基于轮盘赌非线性选择方法,加快算法收敛速度,同时避免了算法过早陷入局部最优,交叉选用单点交叉,变异采用均匀取反法,动态调整过程为了减小甚至避免超调,采用误差绝对值及误差和误差变化率加权方式设计目标函数,并采取了惩罚措施,即一旦产生超调,将超调量作为最优指标的一项,现场测试验证了算法的可靠性及实用性。     

滤波器群时延对二元翼段阵风减缓的影响

针对二元翼段阵风载荷减缓主动控制系统,研究了数字滤波器群时延对阵风减缓效率的影响。首先建立了气动弹性模型,并将时滞系统转化为等价的无时滞系统。随后设计了阵风发生器、数字滤波器及时滞线性二次型(Linear quadratic,LQ)控制器等组成控制系统。最后对系统进行数值仿真并开展风洞实验加以验证。研究发现,当滤波器群时延量较小时可以改善控制系统性能,提高阵风载荷减缓效率,但随着滤波器群时延量增大,阵风载荷减缓效率降低甚至出现控制器失效的情况。     

低速风洞PIV实验中的示踪粒子投放技术

使用Dantec公司的FlowMap PIV系统,在低速风洞中测量二维风速,研究PIV在实际流场测量中的示踪粒子投放技术.实验中使用不同的方式散播示踪粒子测量二维风速,通过对实测风速及流场均匀度的比较,得出在实验段出口处向风洞投放粒子,使其在风洞中循环的方法是最佳散播粒子方式的结论,该方法不仅在小风速下可用,在风速60m/s下也可获得清晰的流场测量图片.     

T型尾翼风洞颤振实验保护装置绕流特性分析

采用SST两方程湍流模型,通过求解非定常Navier-Stokes (N-S)方程,对T型尾翼风洞实验流场进行了模拟,分析了保护装置对T型尾翼风洞实验流场的影响,研究了保护装置几何外形和保护装置基座后移距离对流场影响.通过对平尾气动力的分析以及对非定常流场的对比,可以得出:采用NACA系列翼型对基座进行气动整流后,基座两侧局部超声速区显著减小,局部激波减弱甚至消失,流场品质得到改善.且采用NACA0010翼型对基座修形后的结果最理想.随着保护装置基座后移距离的增加,平尾气动力均方根值和波动值先是急剧减小,达到0.85倍平均气动弦长后开始有所增大,在2.45~4.05倍平均气动弦长范围基本不再变化,稳定到单独T型尾翼模型相应系数1倍左右.此结论对T型尾翼风洞颤振实验保护装置设计具有一定的指导意义.     

连续式跨声速风洞轴流压缩机气动设计与低噪声设计

连续式跨声速风洞是采用轴流压缩机驱动的、可持续运行的变密度回流式风洞.一方面,此类风洞具有运行工况范围宽的典型特征,驱动风洞主回路气流的轴流压缩机需要具备在宽工况范围稳定高效运行的能力;另一方面,良好的风洞试验段动态流场品质要求轴流压缩机进出口气流噪声不高于140 dB.宽工况范围的高效稳定运行要求和低噪声设计要求给连...     

一种水平尾翼流动控制装置的实验研究

某型机采用上单翼低平尾布局,在着陆襟翼小迎角状态时平尾下翼面翼根部位出现局部气流分离,导致飞机振动,力矩特性出现异常变化。本文提出的解决方案是在平尾翼根前方0.12倍根弦长,下方0.30倍根弦长位置的机身上加装一对小展弦比负弯度小翼作为涡流发生器/导流片,一方面加速了后方分离区边界层与外流的能量交换,另一方面利用其上洗作用降低了平尾翼根区域的局部负迎角绝对值。通过数值计算和风洞实验研究表明,优化后的导流片使平尾分离区面积缩小50%,小迎角俯仰力矩拐点推迟4°以上,以较小的性能和结构重量代价解决了局部气流分离问题,拓展了飞机飞行边界。     

进气道风洞试验分布式流量调节技术研究与试验验证

分布式流量调节将风洞试验中的进气道出口后的流动转化为多个区域的流动，通过调整导流片组合之间的相对位置，改变导流片组合之间不同区域的流通面积，实现流体流量的调节。利用商业软件对节流锥流量调节与测量装置简化模型和分布式流量调节与测量装置简化模型进行了数值模拟，并在FL-24风洞对分布式流量调节方法进行了验证。研究结果表明:分布式流量调节具有较高的流通能力和调节效率，能够有效降低流量调节与测量装置的外形尺寸；进气道喘振前，分布式流量调节与节流锥调节的试验结果一致性较好；分布式流量调节分解了调节装置对上、下游流动的干扰，特别是对上游流动均匀性基本没有影响。     

大型连续式高速风洞热交换器设计关键技术研究

随着大型连续式高速风洞运行功率和精细化测试要求的提高,对风洞热交换器性能提出了越来越高的要求,集中体现在换热压损性能、温度场均匀性和气流扰动特性3个方面。结合近年研究成果,对大型连续式高速风洞热交换器设计中的关键技术及研究成果进行了综述。分析了风洞热交换器的需求特点,总结了影响各种性能的主要因素。介绍了高效低压损设计技术、温度场均匀性控制技术和气流扰动控制技术,给出了热交换器换热效率和压力损失综合权衡的设计原则,阐述了换热芯体排列方式、冷却水流量及进水方式、热交换器段截面形状等对温度场均匀性的影响,以及来流条件和热交换器结构对气流扰动的特性。     

大型回流边界层风洞的气动与结构设计

大型边界层风洞是开展风工程研究的必备装备。以浙江大学ZD-1边界层风洞的研制为背景,详细介绍了大型回流边界层风洞气动设计和立式结构设计中的关键问题,在风洞气动设计时采用了收缩比为4∶1的单回路单试验段气动轮廓,在试验段中设置了0.22°的当量扩散角,对拐角导流片外形作了特殊处理,并采用钢结构与混凝土结构相结合的立式结构。流场校验结果表明,大型回流边界层风洞的气动与结构设计能满足设计要求,某些指标甚至达到航空风洞的标准,在试验段中设置扩散角有利于降低轴向静压梯度,立式结构设计对提高试验段气流的水平均匀性有一定的作用,可为今后类似风洞的研制提供参考。     

2m×2m超声速风洞全挠性壁喷管气动设计及动态调试结果分析

中国空气动力研究与发展中心自行设计的2m×2m超声速风洞于2010年底建成,它是一座直流、暂冲式风洞,采用了全挠性壁喷管技术.喷管总长18m,具有马赫数1.5~4.0的十多个型面,每个型面通过24对撑杆的伸缩实施成型.该喷管的气动设计采用了具有连续曲率的Sivells设计方法,并用Maxwell方法对其进行了边界层修正.该喷管采用实验影响法进行了喷管型面的动态调试,个别型面还采用了二次修正.调试结果显示,在各设计马赫数下,试验段模型区流场指标均优于GJB先进指标,表明该喷管的气动设计是成功的.     

共轴刚性旋翼桨毂中间轴涡流发生器设计与减阻研究

为最大程度地降低共轴刚性旋翼桨毂的气动阻力，在其减阻设计方案中间轴处加装翼型截面的涡流分割器。首先设计了不同展长、弦长、安装位置和数量的涡流发生器加装方案，之后采用求解N-S方程的方法计算和分析了加装涡流发生器之后的桨毂阻力特性、表面压力和空间流动情况等。结果表明加装涡流发生器能使桨毂减阻方案的阻力降低约5%，弦长增大、涡流发生器位置向下桨毂方向移动有利于进一步降低阻力。研究结果可为涡流发生器的应用和桨毂减阻设计提供一定的参考。