基于阻力分解策略的翼型阻力计算方法研究

研究并应用了基于翼型阻力分解策略的中场积分计算阻力的方法。中场积分方法是近年来提出的一种新的计算阻力的方法,方法将流场分为三个不同的区域：波阻区、型阻区、数值耗散区,通过对不同区域进行积分将阻力分解为波阻、型阻、数值耗散阻力。计算结果表明中场积分方法与传统的表面积分方法和远场积分方法相比,不仅可以将阻力分解成不同部分以便于进一步分析阻力产生机理,而且在计算中对网格量的要求较低,即使在网格量较小的情况下也能得到较精确的结果。     

基于尾迹积分的阻力计算方法研究

利用尾迹积分法按阻力产生的物理机制,将阻力分解为熵增阻力和诱导阻力进行数值计算.翼型、机翼和翼身组合体标模算例表明,尾迹积分法可以清楚给出由粘性和激波产生的熵增阻力及诱导阻力的展向分布.熵增阻力计算时,尾迹积分截面要尽量靠近后缘,若尾迹积分截面向下游移动,由于数值耗散使翼尖涡动能转化为内能从而将部分诱导阻力转化为熵增阻力,使诱导阻力值偏小,需要进行熵增修正,修正后的总阻力与实验值吻合更好.与壁面积分法的对比分析表明,壁面积分法计算阻力误差大部分来源于压差阻力.利用尾迹积分计算了升力,与壁面积分法相比,给出的升力线斜率与实验值更接近.     

高升力下二维构型阻力准确测量研究

翼型风洞试验阻力测量常使用尾迹流场测量积分求取阻力的方法,但各积分公式均建立在一定的假设基础上,有一定适用范围。在多段翼型流场N-S方程数值模拟和风洞试验的基础上,研究高升力情况下低速风洞阻力精确测量技术。通过N-S方程数值模拟求解多段翼型绕流场,分析尾迹流场的特点和常规风洞试验阻力计算公式推导时所作假设,提出新的更为准确的型阻计算公式;利用多段翼型绕流的数值模拟结果,积分表面压力和摩擦力求得翼型的气动特性,并利用计算得到的尾迹流场信息按照常规和新提出的风洞试验型阻计算公式计算阻力,将三者进行比较,检验提出的新型阻计算公式的准确性;通过风洞试验检验数值模拟得到的流场特点和新型阻计算公式。研究表明：在高升力条件下,传统型阻计算公式有很大的局限性,必须进行改进;提出的考虑尾迹区流动特点的新型阻计算公式能够得到更准确的阻力值。     

基于逆向增广Burgers方程的声爆反演技术

声爆问题一直是制约超声速客机发展的障碍之一，因此低声爆设计技术在超声速客机的设计中尤为重要。逆向增广Burgers方程可将中场声压信号反演至近场，能够为低声爆反设计工作提供优化目标。围绕逆向增广Burgers方程展开研究，运用算子分裂法和正则化伪抛物型方程法对逆向方程进行数值求解，并求取对应的反向等效面积。借助3个标准算例，对数值方法的收敛性、求解准确度、不同中场高度及不同周向角下反演技术的计算精度进行了研究。针对逆向增广Burgers方程的特点，探讨了在中场设置目标波形进行反设计方法的可行性，并对声压信号中高频分量的传播特性进行了研究。研究认为上述方法能够较为准确地完成中场至近场的声压信号反演计算，并且使用中场目标波形代替地面目标波形能减轻反演距离对反演计算过程的影响。     

发动机进排气系统对飞机气动特性影响的数值研究

为了分析发动机与飞机系统耦合过程中产生的气动力特性,准确获取实际使用条件下的飞机升阻特性,以带动力的某半模飞机模型为研究对象,开展了三维流场数值仿真计算,利用风洞试验数据对计算方法进行了验证,总结了溢流阻力及排气干扰阻力的变化规律,结果表明:发动机状态变化对飞机升阻特性影响明显,在选定的发动机工作参考状态下,溢流阻力在飞机系统升力与阻力方向的分量随捕获面积比的增大分别增大、减小,排气系统实际工作状态偏离选定的参考状态越远,干扰阻力在飞机系统升力和阻力方向分量的绝对值越大。     

马赫6柱-裙构型激波/湍流边界层干扰摩阻统计特性

为探究激波/边界层干扰表面摩阻统计特性,对马赫6柱-裙构型的激波/湍流边界层流场进行了直接数值模拟,推导了柱坐标形式的时均摩阻分解公式,将其与对流效应、流向不均匀性效应、分子黏性耗散效应、曲率效应和湍动能耗散关联起来,在此基础上对摩阻脉动和时均摩阻的统计特性进行了研究。概率密度分布结果表明干扰区内摩阻脉动概率密度明显偏离正态分布,摩阻脉动在该区域的间歇性较强,这与湍流脉动在激波干扰后存在显著内在可压缩性效应有关;谱功率密度结果表明摩阻脉动的能量在干扰前中频部分的能量占据主导,峰值对应频率约为0.14,干扰区后附近区域峰值位置转移到高频区域。采用摩阻分解公式对激波干扰前后的时均摩阻进行分解,结果表明时均摩阻的主要贡献来自分子黏性耗散效应和湍动能耗散效应;在激波干扰前分子黏性应力效应占据主导位置,干扰后湍动能耗散效应占据主导位置;激波干扰后对流效应明显增强,曲率效应的贡献在激波干扰前后基本保持不变;流向不均匀项贡献由正贡献变为负贡献,且所占比例有所上升,这主要是由压力梯度项的变化导致的。对分解后各项积分内函数沿法向分布的分析表明,分解后各项在边界层内分布呈现较大的差异,特别地,湍动能耗散项...     

冷却系统阻力对汽车总阻力影响的数值预测模型研究

采用CFD方法数值模拟了小型汽车发动机冷却系统对全车阻力的影响特性.汽车的内部及外部(发动机舱及舱内)均设置了数值模拟网格.分别计算了散热器及风扇对阻力的影响,采用本校实验结果(散热器压力损失)及制造商提供的数据(散热器及风扇的质量流率)确定初始及边界条件,为基于RNS的CFD提供输入.对汽车轮胎运动模式及行驶速度对散热系统阻力及汽车总阻的影响特性也进行了计算分析.预测结果表明,冷却系统阻力占汽车总阻的6.9％,与实测值吻合.     

定常黏性外流气动力分量的同源性及流场断层扫描诊断原理

减阻是空气动力学的基本任务之一。传统流场诊断和减阻方案基于线性分解、各个击破和线性叠加的思路。最近的研究表明:对于给定构型与流动条件的定常绕流,型阻和诱导阻力不是纯数而是尾流截面位置的函数,而且目前广泛采用的诱导阻力公式仅适用于简单附着流。基于这些认识,证明了升力、型阻和诱导阻力在物理上是同源的,可分别定义为Lamb矢量的体积分或其矩的面积分;面对真实的复杂流场,提出了采用Lamb矢量场在一族流场截面上的性状来定义和诊断升力、阻力各分量的技术原理,作为对传统方法的扬弃。以大攻角三角翼流场为例,采用该原理判明了气动力分量对应的流动结构,指出三角翼尾部的二次涡产生负升力和型阻峰值。该结构可以根据边界涡量动力学溯源到局部壁面区域,从而提出了增加升阻比的概念性优化方案。     

高升阻比翼型和机翼的多点优化设计

研究并给出了一种适用于CFD计算的尾迹面气动力计算方法,并讨论了实现尾迹面法的气动力积分技术.数值算例的结果与传统的表面积分法的结果比较表明,尾迹面法的结果更接近于实验数据.结果还表明此计算方法利用CFD可给出工程允许的精度范围的阻力值,因此也可用于复杂外形的阻力优化计算.讨论了多目标优化及综合目标函数构造的方法;给出了基于N-S方程流场求解的高气动性能翼型的优化设计方法和算例;讨论了基于欧拉和N-S方程流场求解的三维机翼优化设计方法和算例.翼型和机翼的优化设计算例结果表明,优化设计计算方法可有效地提高翼型的升力系数和降低阻力系数,具有更高的综合气动性能;三维机翼厚度非线性分布和负扭角会改善机翼流场的流动状态、提高机翼的升阻比.算例结果也表明所提出的优化设计方法是正确和有效的.     

机械能方程的耗散积分解析表示式

发展了二维可压湍流边界层的耗散积分方法。采用两层涡粘性模型和速度剖面的指数律导出机械能方程的耗散积分解析表示式。它是局部摩阻系数、形状因子,Ma数和基于动量厚度的Re数的函数。该方法运算简捷,使用方便,大大简化了湍流边界层计算。和其他理论结果相比,本文结果更接近于实验数据。     

三维侧压式进气道的减阻研究

为实现三维侧压式进气道的减阻,采用了数值模拟和来流马赫数Ma₀=5.3风洞试验相结合的方法研究了两种三维侧压式进气道,其中之一为基准进气道,其二是在基准进气道的基础上采用某些减阻措施的低阻进气道.结果表明:所采用的减阻措施是有效的,在Ma₀=5.3的条件下,进气道的压差阻力可以减少4.7%左右,摩擦阻力可以减少约4.9%,附加阻力可以转化为附加推力,总阻力可以减少4.7%左右.与此同时,进气道的总体性能也得到明显改善.      

Minimizing airfoil drag at low angles of attack with DBD-based turbulent drag reduction methods

Dielectric Barrier Discharge (DBD) based turbulent drag reduction methods are used to reduce the total drag on a NACA 0012 airfoil at low angels of attack. The interaction of DBD with turbulent boundary layer was investigated, based on which the drag reduction experiments were conducted. The results show that unidirectional steady discharge is more effective than oscillating discharge in terms of drag reduction, while steady impinging discharge fails to finish the mission (i.e. drag increase). In the best scenario, a maximum relative drag reduction as high as 64 % is achieved at the freestream velocity of 5 m/s, and a drag reduction of 13.7 % keeps existing at the freestream velocity of 20 m/s. For unidirectional discharge, the jet velocity ratio and the dimensionless actuator spacing are the two key parameters affecting the effectiveness. The drag reduction magnitude varies inversely with the dimensionless spacing, and a threshold value of the dimensionless actuator spacing of 540 (approximately five times of the low-speed streak spacing) exists, above which the drag increases. When the jet velocity ratio smaller than 0.05, marginal drag variation is observed. In contrast, when the jet velocity ratio larger than 0.05, the experimental data bifurcates, one into the drag increase zone and the other into the drag reduction zone, depending on the value of dimensionless actuator spacing. In both zones, the drag variation magnitude increases with the jet velocity ratio. The total drag reduction can be divided into the reduction in pressure drag and turbulent friction drag, as well as the increase in friction drag brought by transition promotion. The reduction in turbulent friction drag plays an important role in the total drag reduction.     

基于 CFD 和推阻分解技术的全机溢流阻力预测与分析

飞机在飞行过程中,根据性能需求,需要不断调整发动机活门流量系数,因此发动机短舱唇口的压力分布形态会发生很大变化,前方外流作用于进气道内流管上的合力也将改变,从而引起溢流阻力变化。本文基于某型号飞机,结合 CFD 动力模拟和推阻分解方法,获得不同流量系数下的溢流阻力,并分析流量系数、马赫数、高度、迎角对溢流阻力的影响。溢流阻力预测方法和影响研究可为飞机/涡扇发动机一体化设计、大涵道比短舱设计和气动力预测提供参考。     

有源相控阵中场测量中的空间误差研究

由于中场监测设备量少,且测量效率高,所以是有源相控阵雷达阵面测量的重要方法之一,在工程中得到了广泛应用。其系统误差包括监测方法误差和测量设备误差,其中测量方法误差非常关键,而测量设备误差与所采用的具体设备有关。在中场测量中,探头的位置偏移导致的空间误差是其特有的测量方法误差。本文对空间误差进行了理论分析,并以x波段有源相控阵的中场测量为例,给出了空间误差的计算结果和实验结果。计算结果表明,空间幅度误差很小;空间相位误差与被测阵面口径、测量距离和探头位置偏移有关。实验结果进一步验证了这种计算结果。分析结果为中场测量的实施提供了参考,具有一定的工程意义。     

冲压增程弹丸冷态气动阻力特性分析

以一冲压增程弹丸为例,在马赫数2.0到2.5的冷态飞行条件下,采用飞行试验结合流动仿真的手段,分析了作用在弹丸内、外表面的气动阻力分布.数值仿真所得阻力数据与飞行试验所得结果误差在6％以内.仿真分析结果表明:外部阻力在弹丸所受总的气动阻力中占有支配地位,约为总的气动阻力的95％;作用在弹丸上的气动阻力中,压力阻力远远大于摩擦阻力,约占总阻力中的85％;弹丸所受外部气动阻力中,压力阻力约占90％.冷态飞行试验所得气动阻力数据可以直接作为冲压发动机推力设计的依据;冲压增程弹丸减阻设计的重点在于减小进气道外罩和前弹体在来流方向上的投影面积.     

较低雷诺数零升阻力估算方法研究

根据层流和湍流的摩擦阻力估算公式,建立较低雷诺数条件下当量摩擦阻力系数的计算模型来估算零升阻力系数。通过对估算方法进行验证和分析,研究较低雷诺数时零升阻力系数随雷诺数的变化趋势。结果表明,建立的估算方法合理,并且准确地反映了零升阻力系数在较大雷诺数范围内的变化规律。     

带伞空降风洞试验中稳定伞的模拟研究

为了更加真实地模拟空降初期过程,在国内率先对带伞空降风洞试验中稳定伞的模拟方法进行研究,包括稳定伞相似参数的确定、阻力系数的模拟。主要讨论一种在伞模型末端系配重并进行自由落体试验的方法来测量伞阻力系数,并通过在伞顶开孔来调整伞阻力系数,最后采用调整后的伞模型进行风洞试验验证。结果表明:该方法可精确测量伞阻力系数,改变伞顶孔大小能有效调整伞阻力系数,且伞顶开孔可使稳定伞的下落过程更稳定;试验结果符合真实空降时近机身复杂绕流运动流场特性,与空降视频中空降轨迹发展规律相一致,表明所论述的稳定伞模拟技术是可行的。     

发动机短舱溢流阻力的数值模拟

 为分析发动机溢流阻力的产生原因并为进气道-发动机匹配研究提供一定的技术支持,以典型的发动机短舱为研究对象,分析了短舱上的进气道阻力,并详细介绍了相应溢流阻力的数值计算方法。在对发动机短舱外流模拟时,通过引入两个和发动机参数相关的数值边界条件,即一个是定流量的发动机进气道入流边界,另一个是定总温总压的发动机喷流边界,避免了对发动机复杂内流的模拟。利用NACA-1-81-100发动机进气道作为标准算例,验证了数值方法的可行性。通过模拟发动机短舱在不同工作流量下的流动,认为发动机短舱的溢流阻力产生归因为溢流造成的发动机外表面的阻力变化,以及捕获流管变细导致的附加阻力增加。     

复杂外形气动力计算的阻力修正方法

基于气动力计算的位流线化理论,发展了一种亚音速附面层阻力修正方法。采用联合流场求解方法获得复杂外形的表面压力分布,在此基础上,将绕复杂外形物体沿流向面元划分为片条,在片条上,把三维附面层转换为二维附面层,对二维附面层进行数值求解,得到附面层粘性阻力修正。算例表明,该方法计算量小,与实验和N-S数值解结果吻合较好。为复杂气动外形飞行器初期设计、方案选型及评估提供了较为理想的工程设计手段。