三角翼大迎角绕流特性数值模拟的网格处理技术研究

研究网格对三角翼大迎角绕流特性数值模拟的影响.结果表明,网格的生成需要结合流动现象,对网格拓扑结构和网格点分布进行选择与搭配.C-H型网格适宜模拟尖前缘分离涡流态,法向网格在一定范围内应等距增长,沿流向逆压梯度较大的区域内适当增加网格点,尾迹区网格则应做上翘处理.Euler方程具有模拟三角翼旋涡及预测涡破裂特性的能力,但对二次涡等粘性引起的流动细节把握能力不足.利用层流假设的N-S方程,通过合适的网格,也可得到满意的计算结果,但对涡破裂后的强烈非定常湍流流动模拟能力不足.采用旋涡螺旋度可准确反映主涡与二次涡流动,描述旋涡的破裂现象.用轴向速度迅速减小并小于来流速度的点作为涡破裂判据似应更合理.     

三角翼大攻角绕流数值模拟研究

采用Harten-Yee的二阶精度隐式TVD格式对N-S方程进行数值模拟,研究了后掠角为65°和70°的三角翼绕流的流场特性。计算结果表明：TVD格式中限制器函数的选取对于三角翼绕流结构的计算结果具有较重要的影响。结合张涵信的旋涡定性分析理论对旋涡的发展过程进行研究,此外,还对二次涡破裂现象和网格分布影响等问题进行了探讨。     

Pω增强型k-ω湍流模型在三角翼旋涡流动的应用

在三角翼旋涡绕流数值模拟中,标准 Wilcox k-ω湍流模型生成项未考虑旋度的影响而导致预测的旋涡强度较弱。通过引入探测因子区分剪切层和涡核,在旋涡流动的高旋度区域增加ω方程生成项的方法,基于结构化网格上的 RANS 求解器,加入了 Pω增强型 k-ω湍流模型,对绕尖前缘三角翼亚声速和跨声速旋涡流场进行了数值模拟。计算结果与 NASA 的 NTF 风洞和 DLR 的 DNW-TWG 风洞试验数据进行了对比分析,结果表明：不论在亚声速还是跨声速自由来流条件下,Pω增强型 k-ω湍流模型计算的压力分布、涡破裂位置均与试验数据吻合良好,准确地预测出了三角翼上翼面的主涡、二次涡结构,特别是跨声速条件下激波干扰导致的涡破裂的临界迎角及涡破裂位置,表明 Pω增强型 k-ω湍流模型在绕三角翼旋涡流动数值模拟中具有良好的适用性。     

翼前缘分离涡破裂研究

本文分两部分,第一部分关于旋涡破裂的实验观察,分别从旋涡破裂类型、破裂区结构以及翼前缘分离涡破裂观察三个方面,概括了自1957年首次发现破裂以来,通过圆管内旋涡,水洞或低速风洞内的三角翼分离涡观察到的各类破裂现象,比较了旋涡和分离涡破裂结构之异同,指出影响翼分离涡破裂的更为复杂因素;第二部分关于旋涡破裂的理论研究,将现有的破裂理论分成三个分支,即波动理论,流体动力学不稳定理论,以及涡核模型。概括这些理论的各自发展过程,比较了它们之间的优缺点。 对某些感兴趣的问题提出看法,并给出我们最近关于细长翼分离涡破裂计算结果。     

基于DES方法的三角翼激波-涡干扰流场数值模拟

采用基于Spalart-Allmaras湍流模型的脱体涡模拟（DES）方法,数值求解Navier-Stokes方程,模拟绕尖前缘三角翼的跨音速流动,并对三角翼上翼面的复杂激波-旋涡干扰流场进行了分析。与NASA兰利研究中心的NTF风洞实验结果对比分析表明,DES方法能很好地模拟跨音速三角翼上的旋涡流动。随着攻角由中度攻角增加到大攻角,支架附近的激波越来越强,对主分离涡的干扰作用越来越大,直至出现激波干扰导致的涡破裂。激波的形状、位置及涡破裂位置均与实验结果吻合良好。     

旋涡破裂引起的流动非定常特性

采用隐式近似因子分解法,通过求解三维、非定常、可压缩完全层流N-S方程,对绕大后掠三角翼旋涡破裂的流场进行了数值模拟。结果表明：当三角翼背风区流场发生旋涡破裂时,各流动参变量是非定常的,同时旋涡破裂点的位置沿轴向在一定范围内前后摆动。     

绕三角翼纵向俯仰大迎角气动特性计算研究

 采用数值计算方法, 对三角翼从0°上仰至90°的动态流场结构进行了计算, 在此基础上, 对三角翼在上仰过程中受到横侧小扰动情况下的流场结构和气动力特性进行了计算研究。给出了三角翼纵向动态情况下的气动力系数变化, 特别是大迎角横侧力矩系数的变化特征, 并对受到横侧小扰动后横侧运动的稳定性进行了计算与分析。结果表明, 机翼的上仰运动延迟了机翼上翼面旋涡的破裂。同时, 随着机翼俯仰角速度的提高, 机翼抵抗旋涡非对称破裂的能力明显增强, 机翼运动的稳定性也明显提高。     

三角翼大迎角绕流的数值模拟

采用FINETM/HEXA非结构网格流场计算软件包对三角翼飞行器的低速大迎角绕流进行了数值模拟.结果表明,计算值与实验数据符合较好,采用Agglomeration 方法能大幅度提高收敛速度,而网格自适应方法用总体不大的网格单元数可较精细地模拟流场.本文还分析了前缘分离涡破裂前后的流动现象和旋涡横截面流线图谱的变化规律.     

使用RANS/LES混合方法对钝前缘三角翼进行数值模拟(英文)

阐述了建立在一方程湍流模型基础上的分离涡模型(DES)和延迟脱体涡模型(DDES),它们很好地模拟了壁面附近的小尺度流动。该方法在大攻角分离流区域,使用了亚格子应力的Smagorinsky大涡数值模拟,模拟亚音速旋涡流动。使用大攻角下的钝前缘65°大后掠三角翼模型,研究了CFD对涡的发展、破裂以及复杂涡的发展和演变的模拟能力。研究结果说明了方法对模拟分离流动是可行的。     

跨声速三角翼旋涡破裂过程的数值模拟

本文利用张涵信提出的时，空二阶精度的隐式混合通量分裂的ＮＮＤ格式，通过求解非定常ＮＳ方程模拟了马赫数Ｍ为０．８、迎角α为２１．８°时某外形三角翼背风区旋涡破裂的发展，演变过程，并对旋涡区域的截面流态和涡轴上奇点附近的空间流动特征进行了分析。     

Unsteady aerodynamics of nonslender delta wings

Unsteady aerodynamics of nonslender delta wings, covering topics of shear layer instabilities, structure of nonslender vortices, breakdown, maneuvering wings, and fluid/structure interactions, are reviewed in this paper. Vortical flows develop at very low angles of attack, and form close to the wing surface. This results in strong interactions with the upper-surface boundary layer and in a pronounced dependence of the flow structure on Reynolds number. Vortex breakdown is observed to be much less abrupt compared to breakdown over slender wings. This results in challenges for the precise determination of vortex breakdown location and the interpretation of flow visualizations. One of the distinct features of nonslender wings is the location of the primary attachment zone outboard of the symmetry plane. Reattachment location correlates with the wing stall process and increased buffeting. Dramatic fluid/structure interactions emerge with increasing wing flexibility and result in substantial lift enhancement in the post-stall region. This recently discovered phenomenon appears to be a feature of nonslender wings. Rigid delta wings undergoing small amplitude oscillations in the post-stall region exhibit many similarities to flexible wings, including reattachment and re-formation of the leading-edge vortices. Unusual self-excited roll oscillations have also been observed for free-to-roll nonslender wings.     

Review of flow control mechanisms of leading-edge vortices

Vortex control concepts employed for slender and nonslender delta wings were reviewed. Important aspects of flow control include flow separation, vortex formation, flow reattachment, vortex breakdown, and vortex instabilities. The occurrence and relative importance of these phenomena strongly depend on the wing sweep angle. Various flow control methods were discussed: multiple vortices, control surfaces, blowing and suction, low-frequency and high-frequency excitation, feedback control, passive control with wing flexibility, and plasma actuators. For slender delta wings, control of vortex breakdown is achieved by modifications to swirl level and external pressure gradient acting on the vortex core. Effects of flow control methods on these two parameters were discussed, and their effectiveness was compared whenever possible. With the high-frequency excitation of the separated shear layer, reattachment and lift enhancement in the post-stall region is observed, which is orders of magnitude more effective than steady blowing. This effect is more pronounced for nonslender wings. Re-formation of vortices is possible with sufficient amplitude of forcing at the optimum frequency. Passive lift enhancement on flexible wings is due to the self-excited wing vibrations, which occur when the frequency of wing vibrations is close to the frequency of the shear layer instabilities, and promote flow reattachment.     

三角翼DBD等离子体流动控制研究进展

现代战机采用较多的三角翼，在大迎角绕流时存在前缘涡破裂等气动问题。作为新型主动流动控制技术，等离子体激励频带宽、响应快、结构简单、便于闭环控制，在解决三角翼气动问题上具有潜力。回顾了介质阻挡放电（DBD）等离子体气动激励的基本原理，及其用于三角翼前缘涡控制的研究进展。从来流条件、几何构型、激励参数等方面分析了DBD等离子体激励对流动控制效果的影响规律；结合不同激励频率下流场演化特性，分析了流动控制机理。最后，从理论研究和工程应用的角度，对三角翼前缘涡控制的发展进行总结展望。     

上仰三角翼的流动与频率特性

在水洞和风洞中分别完成了上仰三角翼的流动显示和动态测压试验,目的是研究上仰-停止三角翼的流动和频率特性。水洞中的流动显示试验结果表明,在不同的上仰迎角范围和不同的简化频率k值下,三角翼前缘涡破裂点的位置变化是不相同的。通过分析在风洞中测得的三角翼做上仰运动时的压力信号的结果表明,在破裂涡区中,在相同的名义迎角下,无量纲螺旋波的主频比静态时的高,且k值越大无量纲螺旋波频率越高。不同后掠角的三角翼均能得到相似的结论。     

Unsteady flow phenomena associated with leading-edge vortices

This paper presents selected results from extensive experimental investigations on turbulent flow fields and unsteady surface pressures caused by leading-edge vortices, in particular, for vortex breakdown flow. Such turbulent flows may cause severe dynamic aeroelastic problems like wing and/or fin buffeting on fighter-type aircraft. The wind tunnel models used include a generic delta wing as well as a detailed aircraft configuration of canard-delta wing type. The turbulent flow structures are analyzed by root-mean-square and spectral distributions of velocity and pressure fluctuations. Downstream of bursting local maxima of velocity fluctuations occur in a limited radial range around the vortex center. The corresponding spectra exhibit significant peaks indicating that turbulent kinetic energy is channeled into a narrow band. These quasi-periodic velocity oscillations arise from a helical mode instability of the breakdown flow. Due to vortex bursting there is a characteristic increase in surface pressure fluctuations with increasing angle of attack, especially when the burst location moves closer to the apex. The pressure fluctuations also show dominant frequencies corresponding to those of the velocity fluctuations. Using the measured flow field data, scaling parameters are derived for design purposes. It is shown that a frequency parameter based on the local semi-span and the sinus of angle of attack can be used to estimate the frequencies of dynamic loads evoked by vortex bursting.     

双三角翼前缘剖面形状对涡运动的影响

采用数值模拟和理论分析相结合的方法,研究了前缘剖面形状对双三角翼涡运动的影响,分析了前缘剖面形状对三角翼、双三角翼涡运动影响的不同机理 :对三角翼,尖前缘可以形成组织最好的涡结构,但对于双三角翼,圆前缘生成的旋涡结构较靠近翼面,涡结构紧密,诱导能力较强,可以形成有利的涡涡干扰,使内翼涡通过剪切层向外翼涡输入涡量更加容易,合并涡变得更加稳定,推迟了涡破裂,而且由于涡较靠近翼面,因而可以产生较高的非线性涡升力,这同传统的认识是不一致的。     

三角翼跨声速动态失速与涡破裂特性研究

通过数值方法研究了高速气流中细长三角翼作匀速上仰机动飞行时的背风面分离流与涡破裂特性和气动力特性。结果表明,在三角翼匀速上仰非定常绕流中,涡破裂起始攻角与上仰速度关系比较复杂,在本计算速度范围内,涡破裂起始攻角变化很小;动态时涡破裂点发展速度随攻角变化规律与静态结果差别甚大;三角翼大攻角非定常绕流前缘涡涡轴附近的流动以不稳定涡和涡破裂为主要特征;在一定的上仰速度以后即使在中等攻角前非定常升力与定常升力仍有较大差别,与低速情况有所不同;上仰运动使涡破裂点发展速度被延缓,从而提高了失速攻角和最大升力,并使失速攻角与涡破裂起始攻角的间隔进一步拉大,同时不改变升阻比     

细长翼分离涡的布涡计算法

 细长翼在迎角稍大时,前缘卷起螺旋状分离涡,使上表面压力降低,升力增加。涡襟翼技术也是利用前缘涡的这一特性提高升阻比的。为计算有分离涡的机翼特性,须研究分离涡层的卷起和涡层之间相互干扰的计算方法。早期Brown和Michael,Smith等在锥形流假设下,应用细长体理论计算过三角翼的气动特性。Sack和尹协远等放弃锥形流假设,用离散涡代替脱体涡层,但仍用保角转绘法处理横流面内绕翼面流动。这类方法对横截面形状较复杂的细长翼（如带涡襟翼的机翼）,因转绘函数复杂,计算困难。本文为避免转绘带来的困难,采用直接布涡法计算有分离涡的机翼气动特性。     

破裂涡流中非定常现象与频率特性实验研究

通过流动显示、表面动态压力测量及热线测量等实验手段,对三角翼破裂涡流中的多种频率成分进行了分析。频谱分析确定了破裂点脉动和螺旋波的频率特征。实验结果表明,螺旋波主频随着弦向位置的增大先是迅速而后平缓减小。前缘涡破裂点振动具有准周期性,在不同的弦向位置上主频大小几乎没有改变,在靠近破裂点的位置有较大的振动能量。实验分析还表明,在破裂涡的流动状态下,虽然没有形成完全分离流,三角翼绕流流场中已经存在涡脱落的现象。