温度垂直递减率对飞机尾涡影响的数值模拟

为了更深入精确地研究航空器尾涡演变规律，保障航空器安全运行，本文采用数值模拟方法对不同温度垂直递减率下A330-300飞机尾流的耗散规律进行了研究。数值模拟选择SST (Shear stress transport) k-ω湍流模型，通过构建5种不同温度垂直递减率下的温度场，并在温度场内编译A330-300飞机尾流场实现不同温度垂直递减率下的演化。通过数值模拟结果与雷达探测数据的对比验证了数值模拟方法可靠性。计算结果表明，一般湍流强度下，不同的温度垂直递减率主要作用于尾涡衰减阶段，通过改变尾涡内外温度影响尾涡演化。温度垂直递减率越小，尾涡衰减区环量减小得越快；温度垂直递减率越大，尾涡下沉的速率越大，快速耗散后的涡核间距越大。     

圆柱尾涡/边界层相互作用中二次涡特性研究

应用流动显示的方法研究水槽中上游圆柱绕流尾涡与平板边界层的相互作用,发现边界层外的尾涡可以诱导边界层内流体产生新的二次涡结构,对二次涡的产生条件、形成机理和演化规律进行了探讨.结果表明:尾涡/二次涡的相互作用是尾涡与边界层相互作用的核心,尾涡涡脱落St数的变化、尾涡反弹现象、边界层内二次涡的产生和尾涡/二次涡相互作用的不同形态等均与无量纲参数yc/D有关(yc为圆柱距离平板的法向位置,D为圆柱直径),并可以此参数对尾涡/边界层相互作用的特性进行分区.     

编队飞行风洞实验研究

在1m非定常风洞中开展了两机编队飞行试验研究。前机采用尾支撑转接垂直叶型支杆与坐标架连接，可以实现相对位置（纵向、侧向和垂向间距）的精确改变；后机通过尾支撑连接到风洞的主支撑机构上，可以实现迎角的变化。采用内式六分量应变天平测量后机的气动力受前机尾涡流影响的变化情况，对后机的绕流场进行了PIV测量。试验中使用了2组模型，一组是简化的翼身组合体模型，另一组是翼身融合体飞翼布局模型。结果表明:当前机翼尖涡靠近后机翼面时，后机的升阻比变化较明显；当前机翼尖涡靠近后机翼尖时，后机可获得最大升阻比；前机迎角增大时，后机的升阻特性有较明显变化；当后机的迎角大于8°时，其升阻比基本不受前机影响。     

强声激励下旋流火焰周期性流动结构的实验研究

强声波扰动下旋流流场的动态特征对于理解旋流火焰的非线性响应特性非常重要。基于超高重复频率脉冲串式激光器高速粒子示踪技术测量了强声激励下旋流火焰的动态流场，研究了旋流流场周期性涡结构和流场-火焰动态相互作用。周期性声波扰动会在旋流火焰内剪切层和外剪切层中引起固有涡结构。发现外部涡环在卷曲火焰锋面和改变火焰热量释放速率中起主要作用，而内部涡环分布在火焰根部并会影响中心回流区速度分布。定量提取了声诱导涡环的轨迹、涡量、环量、尺寸、出口速度以及加速度之间关系，发现强声激励下的出口速度和加速度决定了外部涡环的形成和脱落过程。     

微型扑翼飞行器的改进非定常涡格法

为在保证较高计算精度的前提下高效地进行扑翼飞行器(MAV)气动特性计算,提出了一种MAV非定常涡格法(UVLM)的改进算法.在算法中充分考虑翼面瞬时形变及诱导阻力等对MAV流场及气动力的影响,并在其尾涡模型中增加对尾迹涡环畸变及粘性耗散等的建模,使算法模型能更好地反映MAV的翼面气动状态.编程实现并通过实例验证了算法的有效性和快速性;为将UVLM引入MAV优化迭代,还研究了尾涡剔除对算法效率及精度的影响,结果表明在算法模型中剔除MAV尾部一定距离处的尾涡后,可在保证算法精度的前提下大幅减少运行时间,表明该算法在MAV结构优化中存在一定的潜力.     

基于非定常涡格法的扑动频率对机翼涡和尾涡推力的影响

随着对非定常涡格法(UVLM)和低雷诺数空气动力学研究的不断深入,扑翼无人机(UAV)的发展已成为航空航天领域的研究热点。虽然以往的研究大多是关于扑翼无人机的俯仰和扑动运动,但为了更准确地仿真,需要研究机翼涡和尾涡对飞行器推力的气动影响。将三维非定常涡格法应用于扑翼飞行器模型,研究了不同扑动频率下机翼涡和尾涡产生的瞬时推力。结果表明:平均推力随着扑动频率的增加而增大,机翼涡产生的推力远大于尾涡;机翼涡和尾涡的推力比随扑动频率的增加而增大。本研究有助于了解生物的飞行机理,改进仿生扑翼飞行器的设计。     

进气道尾涡的实验研究

本文对进气道的尾涡进行了定量的实验研究。试验在美国麻省理工学院莱特兄弟风洞中进行。进气道气流速度与风速之比为22。用五孔探针详细地测量了沿两个矩形回路的气流速度向量以获得速度环量。所得的结果表明沿回路的角度分布与速度分布是合理的。并由此得到了环量(为1.39米~2/秒)和涡心的位置。由两回路的大小以及[3]中的压力分布推断尾涡系具有片状结构,但大部份涡度则集中在尾涡涡核附近。这样就直接地确切地证明了进口涡-尾涡体系的存在,并为定量地证明进口涡尾涡系形成的机理提供了有力的依据。     

飞行进近中尾流的大涡数值模拟

尾流间隔是增大跑道容量的主要限制因素之一,为了在保持安全水平的前提下有效地增大跑道容量,应制定安全高效的尾流间隔.对尾流流场和尾涡消散物理过程的研究,是制定准确、恰当的空中交通中尾流间隔的重要理论依据.本文用大涡模拟方法对三雏机翼简化模型的尾流场进行了数值模拟.数值模拟的来流速度、迎角和定解条件等重要参教以航空器尾流事故高发的进近阶段为依据,计算结果验证了涡核的进裂消散、涡对的连接消散和涡对的下沉现象,发现了在涡对卷起之前的不对称性和Crow关联发生后涡对消散的不对称性,并分析了其原因.     

壁湍流调制雷诺应力和拟序结构应变率空间形态的层析PIV实验研究

采用高时间分辨率的层析PIV技术,测量了水洞壁湍流三维速度分量空间分布的时间序列,应用局部平均速度结构函数概念对流向速度信号进行多尺度分解,以流向速度分量的局部平均速度结构函数过零点作为特征量检测壁湍流中拟序结构猝发的喷射和扫掠过程,应用空间相位平均技术提取拟序结构猝发的喷射和扫掠过程各速度分量、涡量分量、拟序结构速度应变率分量以及调制雷诺应力分量的空间相位平均拓扑形态.为了引入平衡态涡粘模型假设模拟调制雷诺应力,研究了拟序结构猝发过程中调制雷诺应力分量和速度变形率分量的空间分布形态,发现两者之间的空间相位分布不一致.由于存在时空相位不同步性,说明需要考虑大尺度拟序涡结构引起动量传递的时空弛豫效应.应用经典的线性平衡态下的Boussinesq涡粘模型不能准确地描述壁湍流拟序结构动量传递非平衡现象的物理机理.对于壁湍流拟序结构动力学方程中调制雷诺应力的模拟,应采用包含时空相位信息的复涡粘张量模型.由于雷诺应力与速度变形率的时空不同步性,对非平衡非局部湍流场的数值模拟提出了一个挑战性的问题,建议采用包含相位信息的复涡粘张量模型来模拟雷诺应力张量,从而更加符合雷诺应力演化的物理机理,这一模型有可能成为一个很有发展前景的封闭模型,从而更加准确地预测工业领域中广泛存在的非平衡湍流.     

不同相位壁面局部微振动诱导边界层大涡结构

以平板边界层Blasius解为基本流,利用直接数值模拟的方法求解三维不可压缩N-S方程,研究了边界层中不同初始相位壁面局部微振动诱导大涡结构的过程。计算结果表明:壁面扰动初始相位为0或π,大涡结构的初始扰动速度场完全相反,初始相位为0时,大涡结构演化时无论其扰动速度幅值、高低速条纹结构,流向涡量均随时间的增加而增长,壁面平均切应力明显大于平板边界层流动,近壁平均速度剖面变得饱满;初始相位为π时,诱导形成的大涡结构较弱。壁面局部微振动可诱导边界层内形成大涡结构,大涡结构演化特性与局部微振动初始相位密切相关。     

悬停状态旋翼流场显示的试验研究

介绍了悬停状态旋翼流场显示的试验方法及相应的试验装置，阐述了用干冰汽化时产生的烟雾作为流场显示介质的优越性。指出显示介质的选用应综合考虑介质对流场显示效果的影响、介质对设备和操作人员的危害及试验的经济性和可行性等因素。并对烟雾喷嘴与旋翼相对位置对流场真实性的影响进行了研究，着重研究了浆尖涡喷嘴的不同径向位置位置对流场边界的影响及确保流场真实边界应采取的措施。最后，用试验的方法定性分析了浆叶片数、浆尖速度及浆叶安装角对悬停状态旋翼流场几何开状的影响。试验结果表明，本文研究方法与国外同类试验相比，在达到同样的流场显示效果的情况下，具有试验费用低、操作简便和对人、设备无危害的优点。     

风力机尾流数学模型及尾流对风力机性能的影响研究

为了合理布置风力机,尽量减小风力机尾流的影响,提高风电场效率,使风电场的经济性达到最佳,用风力机AV尾流数学模型计算了风力机尾流区速度分布和处于尾流区的风力机性能所受到的影响,计算结果和实验结果比较表明:AV尾流模型在一定程度上可以模拟风力机尾流区的速度分布,用来计算处于尾流区风力机性能是可行的。     

无动量亏损尾迹的实验研究

采用尾缘吹气的流动控制技术,改善静子尾迹区流动.使用热线风速仪对静子尾迹区在不同吹气量下的轴向速度进行了测量,得到了在纯尾迹、弱尾迹、无动量亏损尾迹和射流这4种工况下尾迹区的轴向速度分布、中心点速度频谱图以及尾迹特征长度沿流动方向的变化.实验测量结果表明,无动量亏损尾迹和纯尾迹工况相比改善了静子出口速度的均匀性,并改变了涡脱落特性.无动量亏损尾迹特征长度与x0.35成正比关系,而纯尾迹时的特征长度沿轴向与x0.37成正比关系变化.     

适用于直升机俯仰与滚转机动分析的广义动态尾迹模型

现有的直升机操纵响应计算方法，给出的他轴耦合响应往往与飞行实测结果符号相反，这是由于仿真模型未计入机动时的尾迹弯曲。本文建立了尾迹弯曲的模型，推导出角速率与一次谐波入流分量之间的关系，据此对旋翼的广义动态入流模型进行了增广和修正；以某机型为算例，分析了直升机俯仰或滚转运动对他轴耦合响应的影响。本增广模型为通用模型，适用于任意机型，无需依赖特定机型的经验公式，即可正确计算直升机的他轴响应。     

串列叶栅尾迹特性的实验研究

对串列叶栅的尾迹特性进行了实验研究。研究表明：串列叶栅尾迹平均速度和单列一样满足相似律。串列叶栅的尾迹平均速度和紊流脉动速度沿额线方向比单列叶栅变化平缓。对于串列叶栅在叶栅下游相对距离Ｘ／ＣＴ＞０．７时，尾迹纵向紊流度基本不随距离Ｘ／ＣＴ变化。     

分层流体中运动物体与自由面相互作用的实验研究

在静水槽中进行了分层流体中运动物体生成的内重力波与自由面相互作用的实验研究。分层介质为水-盐水以及柴油-盐水两种情形。研究的重点是物体在密度突跃层附近运动时导致的自由面的特定变形，讨论了物体的位置和运动速度等因素对变形形态的影响。对密度突跃层本身的变形特征也作了描述。     

极低湍流度下翼型边界层及近场尾流的雷诺应力测量试验研究

在西北工业大学低湍流度风洞中，用热线风速仪在对称翼型边界层及近场尾流中，于２０多处剖面上移测速度型、湍流强度、雷诺正应力及切应力等湍流参量。着重讨论了各雷诺应力分量的分布。结果表明，在边界屋和尾流宽度方向及流动方向上均有明显的规律性，其有关特征值明显低于常规风洞湍流度下的结果。     

横向振动方柱锁定区近尾迹结构

对雷诺数为150≤Re≤3600,振幅与柱宽比 A/h 为0.24和0.7条件下横向强迫振动单方柱的锁定现象、涡脱落过程和近尾迹特性,用流动显示和热线技术进行了研究,结果表明锁定区的范围随振幅比和雷诺数的增高而扩大,在大振幅比情况下,锁定区上、下临界折合速度值比小振幅比情况均有增高。流动显示结果清晰而系统地揭示了柱振动频率越过共振锁定点时,方柱上下两侧涡脱落规律发生的变化以及振幅的改变对近尾迹结构的影响。在低振幅比情况下,锁定区近尾迹结构基本为2S 型,在高振幅比情况下,由2S 型变为 P+S 型,这是非对称的尾迹结构,每一振动周期,从物体上脱落三个涡。在高频振动情况下,近尾迹由大尺度涡结构转化为小尺度涡结构。     

一种适合飞行仿真应用的非定常非线性旋翼尾迹增强模型

基于被广泛应用的Peters—He有限状态动态尾迹模型,本提出了一种增强的非线性、非定常的旋翼尾迹模型,并混合王氏涡流理论建立了旋翼尾迹的旋转分量计算模型(桨尖轨迹平面处)。将原来的线性动态入流理论改造为非线性理论模型,并取消了计算影响系数短阵中的小角度假设。增强后的诱导速度模型适合计算低速飞行状态下旋翼平面内诱导速度,理论计算结果和实验值吻合较好。经优化的FORTRAN程序在常规单CPH微机系统中即可实现实时计算。