不同雷诺数下翼型气动特性及层流分离现象演化

低雷诺数下空气黏性效应突出,翼型表面普遍存在层流分离现象,相比常规雷诺数情况气动特性显著恶化。采用带预处理的Roe方法求解非定常可压缩Navier-Stokes方程的数值模拟技术和低雷诺数低湍流度风洞油流显示试验技术,对FX63-137翼型不同雷诺数下气动特性和流动结构展开深入研究。通过风洞油流显示试验可以清晰获得低雷诺数层流分离流动的两道油流汇集线。数值模拟结果表明其分别为时均化主分离线和二次分离线,两种结果定性定量均吻合较好,证明了本文的研究方法有效可靠;雷诺数从500 000降至20 000,翼型气动特性和层流分离流动结构均发生显著的变化,伴随阻力系数剧增和升力系数剧降,时均化流动结构从附体至出现经典的长层流分离泡,并最终演化为后缘层流分离泡,相应的两种分离泡的非定常流动结构也存在显著差异;对于阻力系数和升力系数而言,存在不同的临界雷诺数,因为导致阻力系数剧增的机理在于经典长层流分离泡的产生使翼型压差阻力大增,而造成升力系数剧降的主要原因在于后缘层流分离泡使得等效翼型后部弯度减小;非定常结果显示正是由于翼型表面漩涡周期性的生成与脱落,才造成了低雷诺数下升力系数的周期性波动。翼型上表面主分离涡即将脱落时,流线在后缘附近再附,升力系数达到峰值;而当流体从下表面向上卷起二次分离涡时,尾部流线大尺度分离,升力系数降至谷值。     

基于CFD/CSD耦合的跨声速非线性气动弹性研究

跨声速气动弹性数值数值模拟中,流场非线性特征明显,传统线化理论不再适用,需要采用时域方法,计算任意时刻的流场信息,进而得到正确的气动弹性现象。为AVICFD-X软件开发了气动弹性模块,该模块基于CFD/CSD(计算流体力学/计算结构力学)耦合模拟方法,包含流体、固体求解器以及交界面信息传输程序,在模块中分别求解流体控制方程和固体结果方程,通过界面进行流、固体之间的气动载荷以及运动状态等信息交换。AVICFD-X软件气动弹性模块数值模拟强迫振荡、静气弹、颤振等问题,验证气动弹性模块是否正确。数值模拟结果满足预期效果,与实验结果相吻合,充分说明了AVICFD-X软件气动弹性模块适用于跨声速非线性气动弹性研究。     

翼型低雷诺数层流分离现象随雷诺数的演化特征

层流分离现象是翼型低雷诺数条件下出现的典型流场特征。层流分离流动中包含流动分离、转捩、再附等非定常流动结构，层流分离流动的形成与演化会对翼型气动特性产生恶化作用。采用大涡模拟（LES）方法对低雷诺数范围内不同雷诺数下的翼型层流分离流动开展精细数值模拟，研究了雷诺数对翼型气动特性的影响规律及作用机理。LES方法采用隐式亚格子模型，基于结构化拼接网格，对流项离散和时间推进方法分别采用AUSM⁺格式以及双时间步方法。验证算例计算结果表明数值模拟方法的正确性及可靠性，雷诺数对翼型气动特性具有显著影响。随雷诺数降低，时均分离泡外形增大、位置后移，平均阻力系数增大，特别是在较低雷诺数下，翼型升阻力系数随时间出现振荡现象。进一步研究表明，造成不同时均分离泡形态和气动特性的原因在于翼型上表面分离剪切层的失稳与转捩特征。随雷诺数降低，流动黏性增大，导致分离剪切层速度梯度减小，流动发生转捩及再附位置后移，直至翼型表面不再发生转捩和再附。     

基于降阶模型的不同厚度翼型颤振边界预测

为了解决CFD/CSD计算效率低的问题,基于CFD技术,构造降阶的非定常气动力模型,并耦合结构运动方程,建立频域/时域气动弹性系统ROM,采用线性自回归滑动平均模型的系统辨识方法,分析了气动弹性系统的标准模型Isogai二维翼型的颤振边界。结果表明,在翼型最大厚度所在位置保持不变时,计算不同翼型厚度下对应的颤振边界得出,随着翼型厚度增加,跨声速凹坑逐渐左移。因此,当翼型最大厚度所在位置保持不变时,为了达到提高颤振速度的目标,通过采用该方法的计算结果来调整机翼翼型厚度,提高机翼对飞行环境的适应能力。     

转捩对风力机翼型和叶片失速特性影响的数值模拟

采用基于k-ωSST湍流模型的Gamma-Theta转捩模型对S809翼型和NREL Phase VI叶片进行了考虑转捩的气动力数值模拟,研究了转捩对其气动特性特别是失速特性的影响。首先对S809翼型在迎角0°～30°范围内开展了数值模拟,比较了转捩模拟和全湍流模拟获得的翼型升力系数和流场特征,发现前缘层流分离泡的存在显著影响了翼型的失速特性;然后对NREL Phase VI叶片开展了类似的数值模拟,结果显示转捩对叶片失速特性和翼型失速特性产生影响的作用方式是相似的。经过对以上数值模拟结果加以分析认为,转捩对翼型和叶片失速特性的影响主要通过前缘层流分离泡的作用体现出来,前缘层流分离泡的存在使翼型和叶片更早地进入深失速。     

大攻角机翼的气动弹性计算方法

 本文利用大攻角带分离流机翼的完全非定常非线性气动力计算方法,通过与机翼运动方程的同时求解,在时间域内实现了大攻角机翼非线性气动弹性的数值模拟,根据弹性机翼各种状态下的运动过程,可以得到大攻角机翼的颤振速度等重要参数以及亚临界、超临界等飞行状态的运动规律。算例结果表明,大攻角下机翼的气动弹性问题需引起足够的重视。     

耦合六自由度运动弹性飞机阵风响应数值模拟

耦合飞机刚体六自由度运动,考虑飞机结构气动弹性变形,基于全湍流Navier—Stokes方程流场数值模拟方法．建立了离散阵风作用下弹性飞行器气动载荷与飞行姿态响应的数值模拟技术。其中模态空间中结构动力学方程以及六自由度运动方程分别采用四阶R—K进行时间推进求解,采用RadialBasicFunction（RBF）技术进行气动／结构数据耦合。对应飞机姿态以及弹性变形采用RBF与TFI组合模式的动网格方法进行网格更新;以飞翼布局弹性飞机为数值研究对象,研究了离散阵风作用下飞行器的气动载荷响应以及飞行姿态的变化,对比分析了刚性飞行器与弹性飞行器对离散阵风响应的区别,为进一步系统地分析真实飞机飞行品质提供数值平台。     

基于CFD/CSD的非线性气动弹性分析方法

提出了一种基于计算流体力学/计算结构动力学(CFD/CSD)的非线性气动弹性分析方法,并应用于切尖三角翼的非线性颤振和极限环振荡(LCO)研究。该方法将非线性有限元(FEM)和CFD计算相结合,并辅以高精度的界面插值,能够分析结构和气动非线性共存的气动弹性问题。结构部分以四边形平板壳元为基础,采用更新的拉格朗日(UL)方法分析结构大变形引起的几何非线性问题。气动部分以Navier-Stokes(N-S)方程作为控制方程,采用CFD方法计算跨声速气动力。机翼的非线性颤振计算表明了方法的有效性。最后应用该方法研究了切尖三角翼的LCO现象,其计算精度明显优于已有结果。     

低雷诺数下层流分离的等离子体控制

为有效控制层流分离特性,消除或减弱低雷诺数时小迎角下的升力非线性现象,改善翼型升力特性,并通过翼型的上表面转捩带与油流显示测量对等离子体激励控制机理进行阐述,对厚度为16%椭圆翼型低雷诺数下的气动特性进行了风洞试验研究。在此基础上,在上表面前缘10%弦长处布置激励器,通过压力分布测量观察等离子体激励对层流分离的影响。试验结果表明：当翼型上表面仅发生层流分离时,等离子体激励和转捩带的作用类似,可以有效延迟或者消除后缘层流分离,从而增加升力;当翼型上表面出现层流分离气泡并发生再附现象时,等离子体可以有效减小或者消除层流分离泡的范围,从而减小升力;通过控制层流分离,占空循环等离子体激励可以实现对低雷诺数小迎角下的升力的线性控制。     

基于CFD的一种变形翼亚声速气动特性仿真分析

利用CFD软件FLUENT,对亚声速条件下一种可变弯度的变形翼进行了数值仿真,捕捉到了翼型表面局部激波现象,给出了翼型气动参数与翼面激波位置随弯度变化的曲线图,并分析了弯度变化对其的影响.结果表明,翼型弯度发生变化时,激波在翼面的位置会发生改变,并对翼型气动参数产生较大影响；适度减小翼型的弯度,对激波影响有一定的改善作用.分析结果为变形翼的优化设计和变形飞行控制提供了理论与数据支持.     

运输机机翼、机身和翼身组合体气动特性雷诺数效应的数值模拟研究

通过CFD方法对运输机单独机身、翼身组合体及不同厚度和弯度的翼型进行了数值模拟研究,分析了雷诺数对机身和翼身组合体气动特性的影响规律,通过雷诺数对有弯度的翼型及旋成体气动特性影响的研究,初步解释了雷诺数对机身和机翼影响差别的原因。     

考虑间隙非线性的控制舵非线性气动弹性分析

间隙结构的气动弹性系统非线性颤振问题是飞行器气动弹性力学工程领域的研究热点和难点,研究 考虑间隙非线性的控制舵系统的气动弹性特性具有重要意义。基于最小状态拟合方法获得时域降阶气动力模 型,并通过Lagrange方程获得系统非线性气动弹性方程;对比分析三种不同非线性控制舵系统的极限环颤振 及非线性动力学响应特性,并与等效线化法和时域仿真的结果进行一致性对比。结果表明:俯仰和扑动弹簧刚 度的变化对系统颤振边界有显著影响,当俯仰和扑动两个方向同时含有间隙非线性时,系统在线性颤振速度内 存在倍周期、混沌等复杂非线性动力学现象。     

应用于翼型绕流的线性/非线性湍流模式的研究

本文选取了四个线性湍流模式、四个非线性涡粘性湍流模式和一个显式代数应力模式对绕翼型的不可压缩分离流动进行了数值模拟.因计算鲁棒性的需要,其中部分模式在壁面附近耦合了一方程模式.通过与实验结果的比较,对翼型在大攻角情况下流动产生分离的气动特性进行了评估.计算结果表明,非线性模式能够较好地反映湍流的各向异性和曲率影响.     

使用GAO-YONG湍流方程组对翼型绕流的计算

将GAO-YONG湍流方程组应用到翼型复杂绕流场的计算中,研究了机械能方程中Du/Dt项和各向异性湍流黏性系数分量中的实度系数Cs的影响,给出了控制Du/Dt项作用区域和选择实度系数Cs值的判别函数,对NACA4412翼型最大升力迎角下的低速绕流算例、AS240翼型8°迎角下的转捩算例、AS240翼型19°迎角下的分离流算例进行了模拟,与实验结果比较,得到了比较好的结果.结果表明GAO-YONG湍流方程组能够准确预测翼型前缘层流到湍流的转捩问题,翼型尾迹流动松弛问题和翼型大迎角分离流.     

翼型结冰状态复杂分离流动数值模拟综述

结冰触发的复杂分离流动将导致翼型气动性能特别是失速特性全面恶化。结冰状态气动特性的准确预测和流动机理的深入剖析依赖于分离流场结构的精确求解。随着计算流体力学特别是湍流模拟方法的不断完善，数值模拟能够更为清晰和完备地反映非定常分离流场的细节特征及物理本质、提供更加翔实和丰富的气动力数据。从雷诺平均（RANS）、大涡模拟（LES）和RANS/LES这3类典型湍流模拟方法的应用层面出发，综合评述了近年来数值模拟研究在翼型结冰状态失速特性预测与分离特征描述等方面取得的主要进展，并从高精度冰形构造、新型湍流模拟方法、深层次非定常特性、实时耦合分析等方面对现阶段研究发展的相关趋势进行总结和展望。     

低雷诺数翼型局部振动非定常气动特性

针对低雷诺数翼型特殊的气动特性,采用基于动网格的非定常数值模拟方法,研究翼型表面不同弦向位置的局部蒙皮以不同频率及振幅振动时对低雷诺数翼型气动特性及流场结构的影响,揭示蒙皮振动增升减阻的机理。研究表明,在低雷诺数条件下局部蒙皮振动可有效提高翼型气动特性,与刚性翼型相比蒙皮局部振动可使翼型升力系数提高,阻力系数降低,升阻比提高。振动位置对翼型气动特性及流场结构有显著的影响,振动表面位于翼型前缘附近或位于层流分离泡中心时可有效控制翼型层流分离,从而提高翼型气动特性。振动频率对翼型表面层流分离及转捩位置均有显著的影响,随着振动频率增加,翼型气动特性出现最优值。与刚性翼型相比,表面振动使翼型转捩位置略向上游移动,摩擦阻力增加,但振动使等效翼型相对厚度减小,压差阻力明显减小。在小幅振动范围内,随着振幅增加,流场非定常特性更加显著,翼型升阻比增加。     

不同迎角的翼型气弹特性风洞实验研究

基于可在不同迎角下作沉浮、俯仰两自由度运动的翼段振动装置,在低速风洞中分别针对普通薄翼型NA-CA0012和风力机翼型NREL S809进行气动弹性测试,得到不同实验状态的气动弹性振动时域响应。分别观察到经典颤振和失速颤振现象,并证明了迎角改变对两种翼型颤振特性的影响。     

仿生减阻翼型的气动性能

利用一种基于滑移边界理论的仿生肋条结构的模化方法,对仿生减阻翼型的气动性能开展了数值模拟研究。结果显示:肋条结构同时布置在翼型压力面和吸力面湍流区域时,仿生减阻翼型的阻力可降低1.73%~3.07%,升阻比可提高2.10%~4.08%,其中黏性阻力的减小是总阻力下降的主要原因。对流场分析表明,仿生减阻翼型的速度曲线出现一定抬升,使得湍流边界层中的黏性子层增厚,进而导致了仿生减阻翼型气动性能的提升。      

翼型改型对超临界翼型气动性能影响的数值研究

为了深入研究改型对跨声速翼型气动性能的影响,对NASA SC(2)-0614翼型进行多种方案的改型,包括前缘半径、厚度、弯度、翼型上表面形状等,并得出最终优化改型方案.数值模拟结果表明,改型后翼型设计状态下升阻比和临界马赫数均有显著提高.     

变形体超临界翼型动态气动特性

为实现飞行器外形根据来流条件变化做出相应调整,需深入了解变形体非定常气动现象和机理。以典型超临界翼型为研究对象,分别制定了翼型厚度及弯度变形方案,实现了翼型柔性变形。利用数值仿真方法在高雷诺数条件下开展了翼型厚度、弯度连续变形带来的非定常效应。结果表明,翼型厚度、弯度连续变形均会形成明显的升、阻力系数迟滞环,且频率越高、幅度越大,变形导致的非定常效应也越强;相对而言,翼型弯度变形产生的非定常效应较厚度变形产生的非定常效应更明显。最后通过分析流线图及压力系数分布图发现,流动结构随几何变形的迟滞性会导致非定常效应的产生。