关于预测急剧机翼失速的CFD的建议

文章叙述了由NASA／Navy／Air Force共同参与的急剧机翼失速项目计算流体力学（CFD）成就，论述了计算结果，提出了用于确定未来飞机研制早期设计阶段非指令性横向运动特性的方法和建议，提出了用于预测和定量表示急速、剧烈机翼失速趋势的程序和品质因数，以及计划方案的缺陷。还包括用于确定跨音速流区域非指令性横向运动临界参数以及影响预生产型F／A-18E／F飞机有害横向运动的主要几何参数。另外，分析了F／A-18E在急剧机翼失速区域稳态CFD和平均时间精确计算法的区别，并与用来测定非稳态方法的应用与准确性的非稳态试验数据进行了比较。最后，对提出的可能作为急剧分离趋势因数的计算品质因数做了精确地评估，并提出了确定这种趋势的筛选程序。     

自由滚转跨音速试验能力的发展状况

作为NASA／海军急剧机翼失速项目的一部分，开发了一套相对廉价的、迅速使用的自由滚转试验装置。在这套装置上，可使用传统的高强度风洞实验模型进入风洞中一次就可以评估跨音速性能和机翼下垂／摇摆行为。总体目标是验证自由滚转试验技术的两个作用，即在地面试验期间鉴定重大的无指令横向行为的区域的作用，以及在跨音速状态洞察军用飞机机翼下垂／摇摆行为的作用。描述了试验硬设备和实验程序。已经成功地使用自由滚转试验装置评估了4种不同构型的静态和动态特性，两种在空中表现出无指令横向运动（预生产型F／A-18E和AV-8B），而另两种没有（F／A-18C，G-16C）。对于这些构型所获得的可用数据，自由滚转实验结果和实际飞行情况非常的一致。     

F／A-18E模型机翼急剧失速的跨音速实验观察

为了研究失速期间翼面上的流动原理，一个8％的F／A-18E模型在NASA兰利中心16英尺跨音速风洞中进行了跨音速风洞试验。使用的技术方法集中在力、力矩、压力以及压力敏感测量相关的静态（或时间平均）和不稳定风洞数据与不稳定风洞失速事件上。文章集中在F／A-18E飞机的试制批构型在M数0．90时获得的数据上。通过天平随时间的变化过程和压力测量以及通过对大量仪表信号的均方根（rms）计算，获得了机翼在失速过程中发生在机翼上的动态不稳定性。其次是概括了整个有关影响机翼失速过程的压力透视。通过分离迅速前移触发的不稳定事件观察8％F／A-18E模型感受的机翼急剧失速，在一个非常小的攻角增量范围内就能迅速地使分离从后缘前移到前缘襟翼铰链线。发生分离的攻角因试验而不同，攻角增量大于1。。使用压力敏感涂料观察了同时发生在两个翼段或不对称翼段上的机翼急剧失速。在深入了解发生在机翼上表面的流动结构和这些结构可能的不对称时，压力敏感涂料数据和机翼根部弯矩数据是必不可少的。8项静态数据试验进行的重复性分析为机翼急剧失速不稳定气动特性提供了一种快速、价廉的检验。重复性分析结果与用不稳定测量技术捕获的数据非常符合，该方法必将用于确定用专用仪表测量的、更复杂的不稳定数据的试验环境。     

F／A-18E和F-16C急剧机翼失速特性的计算研究

运用静态计算流体力学（CFD）模拟，了解急剧机翼失速（AWS）现象的物理过程，确定静态品质因数（figures of merit），利用NASA兰利研究中心研制的TetrUSS模拟装置得到的纳维-斯托克斯算法是以四面非结构网格为基础的。通过在两种飞机上比较CFD模拟结果了解急剧机翼失速现象的物理过程。预生产型F／A-18E飞机构型在某些几何形状和气流状态下会出现急剧机翼失速，而F-16C飞机构型不存在这种现象。通过比较不同气流状态下两种飞机构型之间的详细流场，运用计算结果认识引起急剧机翼失速的原因。以这些方法为基础，开发了许多用来预测急剧机翼失速的静态品质因数。潜在品质因数包括升力的突然下降、翼根弯矩对迎角α的变化以及翼型升力随α的变化率。     

跨音速条件下非指令性横侧运动的历史回顾

文章论述了特定的军用飞机项目中跨音速条件下出现的非指令性横侧运动的研究结果。为NASA／海军／空军共同参与的急剧机翼失速项目研制计划提供了有用的定性资料和定量资料。由于在F／A-18E／F飞机计划研制过程中，其预生产型飞机在跨音速条件下出现了意外的、剧烈的机翼下倾运动，所以开展了急剧机翼失速程序的研究。这些非指令性横侧运动降低了飞机主要任务技术要求。虽然后来F／A-18E／F批生产型的上述问题得到了解决，但是，一个专门的高级考察小组强调，对上述现象还缺乏清醒的认识，并建议：“启动国家研究计划，以彻底、系统地研究机翼下倾现象。”由NASA／海军／空军广泛合作的急剧机翼失速项目的目的是提供所需要的技术要求。研究工作是对过去飞机研制计划中高亚音速和跨音速条件下出现的机翼下倾的历史回顾。需要特别留意的资料包括：出现非指令性运动和运动特性的特种飞机构型；飞机的几何特征；出现问题时的飞行状态；有关数据，包括风洞试验数据、计算数据和飞行试验数据；用于分析的品质因数；以及用于避免出现上述问题的方法。总结了过去经验教训，并提出了以后的研制计划。     

急剧机翼失速计划介绍

急剧机翼失速（AWS）计划已经用实验、计算和仿真工具研究了无指令跨声速的横向运动问题，比如自动倾斜问题。同时给出了制定AWS计划的背景以及计划的目标。为了了解导致预生产型F／A-18E不希望的运动的基本流动机制，从专用跨音速风洞试验和计算研究中搜集了定常和非定常流场详细数据。AWS计划也已经为跨音速流状态修改了自由滚转（FTR）风洞试验技术，该技术传统上用于低速横向动态稳定性的研究。这个FTR的能力首先在概念证明研究中被验证，然后应用于四个不同飞机结构的评定。对于两种已经被证实在全尺寸飞行状态（预生产型F／A-18E和AV-8B在极端飞行包线下）时容易发生自动倾斜的结构和两种没有表现出自动倾斜的结构（F／A-18C和F-16C）评估了静态试验和FTR试验的品质因素图形。已经从那四个飞机结构的气动力计算研究和F／A-18C与F／A-18E机翼之间的种种外形的影响计算量化中获得了正确的设计思想。最后，AWS计划在飞行之前对在模拟器中评定实验发现的横向动作对飞行性能的影响提供指导。     

急剧机翼失速项目的成就

急剧机翼失速（AWS）项目解决了飞机跨音速阶段的非指令性横向运动问题，比如机翼下沉和机翼摇摆。这一项目的起源是，在19世纪90年代后期，F／A-18E预生产型飞机在机动包线的中心位置出现了机翼下沉。通过前缘襟翼运动程序的修改和在机翼折叠处增加带孔整流板，解决了F／A-18E／F飞机的问题。尽管如此，启动了AWS项目，作为对F／A-18E／F研制时技术准备不充分的亡羊补牢之举。AWS项目的目的是，找出F／A-18E／F飞机存在问题的根源、获得对引起机翼下沉的气流机理的深刻认识、找到相应的方法和分析工具，使得将来的项目在试飞之前就可以发现此类问题。文章回顾了AWS项目的目标、技术水平现状、获得的成就以及研究结果的影响等。总结了经验和教训，以利于以后的项目，在试飞之前就可以预测到飞机的横向运动。     

横向不稳定性的试飞评估

在研发F／A-18E／F“超级大黄蜂”的一次飞行试验过程中，当进行跨音速机动时飞机遇到了非指令滚转运动。被称为“翼下冲”的急剧大幅度横向不稳定现象削弱了飞行员在此飞行条件下有效执行空一空跟踪任务的能力。对前缘襟翼的一系列修改和在机翼折叠区域增加透气量解决了该问题。然而，由于缺乏与计算流体力学、风洞和试飞分析有关的确认品质因数，获得该答案是缓慢的。目前已经开发了一种利用试飞数据评估横向不稳定性的方法。横向不稳定性评估包括定性和定量两个方面的评价。飞行员进行定性评价，而定量评价是基于对滚转速度、滚转加速度、横向驾驶杆位置和倾斜角的分析。这项技术提供一种根据飞行试验可靠评估横向不稳定性程度的途径。在飞行员定性评价和定量的试飞数据评估之间取得了极好的相关性。     

结构网格方法对高升力构型的应用研究

采用"亚跨超CFD软件平台"(TRIP)数值模拟了梯形翼全展长与半展长高升力构型的复杂流场,并与试验做了对比分析。对应风洞试验是在NASA Langley 14×22英尺亚声速风洞(FST)和NASA Ames 12英尺增压风洞(PWT)中完成的。计算中采用一方程SA湍流模型和MUSCL-ROE格式,并综合运用对接/重叠/拼接网格技术,数值模拟了两种高升力构型的气动特性,给出了典型站位的压力分布,并对比研究了不同结构网格技术对此类高升力构型的计算差异。研究表明,与修正后的试验数据相比,数值模拟得到的气动力系数和典型剖面的压力分布均与试验结果吻合良好。     

一种基于CFD的增压风洞试验数据刚体修正方法

增压风洞试验中试验模型会发生弹性变形,对气动力产生影响。文中通过引用定常CFD数据的偶极子网格,来研究静弹变形对气动力影响,对大展弦比飞机风洞试验模型的弹性变形及弹性变形对气动力影响量进行计算分析。变形计算结果与风洞变形测量结果十分接近,验证了计算方法的可靠性。     

高速高雷诺数风洞颤振试验新技术

ＦＬ－２风洞在国内首次进行了飞机型号的跨音速风洞颤振试验。本文详细叙述了包括模型的设计、风洞的进行、模型亚临界响应的测量与数据处理等试验各技术环节的特点以及其中的技术难点和技术创新点。ＦＬ－２风洞的跨音速风洞颤振试验填补了国内大尺寸跨音速风洞颤振试验的空白,对我国航天航天的重点型号研制具有重要意义。     

稳定性导数计算方法研究

稳定性导数的准确计算对于飞行器的操稳特性具有重要意义.应用计算流体力学(CFD)方法中的非结构化动网格技术建立能够模拟飞行器做周期性俯仰运动的强迫振荡法,以国际动导数标模Finner导弹为验证算例,获得不同马赫数下俯仰力矩系数的迟滞环曲线,进而计算Finner导弹在不同马赫数下的静稳定性导数和动稳定性导数.结果表明:本文计算得到的俯仰静稳定性导数与试验数据非常接近;在亚音速和超音速范围内,动稳定性导数计算结果与试验值很接近,但在跨音速范围内,本文计算结果与试验曲线的规律性一致,但误差较大.     

美国对F-35C跨声速非定常气动特性的研究

有些翼展较大并采用薄翼型的现代战斗机，在跨声速机动飞行时有可能会发生一侧机翼突然失速（AWS）的非定常气动现象，即所谓“掉翼尖”，严重影响飞行安全。F／A-18E／F就曾一度受困于这一问题。目前，技术人员担心采用了更大机翼的F-35C可能会面临同样的问题。由于现有的计算机流体动力学（CFD）和风洞试验技术手段很难精确模拟和预测“掉翼尖”现象，还需要通过实际的飞行试验进行验证。     

CRM-WBPN风洞试验模型数值模拟

基于雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程和多块对接结构网格技术，采用亚跨超CFD软件平台（TRIP 3.0），研究了共同研究模型（CRM）风洞模型支撑装置对CRM翼/身/架/舱（CRM-WBPN）模型压力分布及气动特性的影响。构造了一个包含小、粗、中、细网格的4套网格，并进行了网格收敛性研究，在升力系数为0.50条件下，开展了固定升力系数下模型支撑对CRM-WBPN模型和CRM-WB模型压力分布及挂架短舱阻力增量的影响，以及不同来流迎角下模型支撑对CRM-WBPN模型气动特性的影响。通过与NASA国家跨声速风洞设备（NTF）试验结果和CRM-WB模型数值模拟结果的对比分析，表明模型支撑对固定升力系数下挂架短舱阻力增量影响较小；在计算构型中考虑模型支撑的影响，引起升力系数和阻力系数下降、俯仰力矩系数增加，数值模拟结果更加接近相应的试验结果。     

F／A—18E／F飞机进气系统的发展

F／A－18E／F是现有F／A－18C／D攻击机的最新改进型飞机，它钭满足美国海军下代攻击战斗机的要求而进入21世纪。这一改进型飞机突出地有几项重大的机体改进，其中包括全新的所谓“caret”进气道设计。已经成功进进行了发展进气道的风洞试验，并把设计出的进气道融入总的F／A－18E／F飞机构型中。本文叙述了进所道的过程，包括对进气道的描述和各个阶段的风洞试验研究。风洞模型试验既使用了单独进气道模型，也使用了与机体本体化的模型。文章还评述了进所道设计的修改，这样才得出最后的进氨道构型。已经完成了亚、跨音速状态下进气道的验证试验和数据分析，并给出了试验分析结果。最后的超音速试验1993年5月完成的。     

飞机失速/尾旋特性的预测和试验研究

以一架三角翼战斗机为例,详细地介绍了利用风洞大迎角静、动态试验数据及旋转开平试验数据,开展收音机大迎角全局稳定性分析、六自由度计算及地面飞行模拟试验等预先研究。利用投放模型进行了自由飞快行旋试验以及最终完成的全尺寸飞机的失速／过失速／尾旋验证试飞,对预测结果与试验结果进行了相关分析,结果表明两者有较好的一致性。     

Ф3．2m风洞活动地板系统研制

目前在风洞中通常采用固定地板和活动地板两种模拟方法开展飞行器地面效应研究，确定地面效应影响量大小。采用固定地板模拟地面时，由于存在地板边界层，不能真实模拟飞机近地飞行状况。采用活动地板模拟地面时，由于活动带运行速度和方向与来流一致，在活动地板表面不存在边界层，可以真实模拟飞机近地飞行状况，提高地面效应试验数据的精准度。介绍了Ф3．2m风洞活动地板系统的研制情况，对活动地板系统的组成、结构形式、主要技术指标等作了简要介绍。YF-16模型试验结果表明：Ф3．2m风洞活动地板试验系统的性能指标达到了设计要求，活动带最大运行速度为60m／s；活动地板和固定地板两种模拟方法获得的地面效应试验结果存在较大差别，差别大小随地板高度和飞机姿态角变化而变化。     

大型客机低速构型高雷诺数风洞腹撑支架干扰数值模拟

风洞到飞行相关性修正是获取现代大型客机低速气动特性的重要手段，通常采用增压提高风洞试验雷诺数，而支架干扰修正是该修正体系的一个关键环节。采用数值模拟研究了增压风洞腹撑的支架干扰，并分析了腹撑对飞机各部件的干扰及其对风洞流场的影响。通过数值模拟与风洞试验对比，表明升力系数相差0.006，阻力系数最大相差0.001 2，俯仰力矩系数最大相差0.01，验证了CFD数值模拟方法的可靠性。CFD计算结果表明：腹撑使得全机升力增加、阻力减小，俯仰力矩增加；腹撑对升力影响的主要部件是机翼，腹撑使得风洞中心以上动压增加，提升上翼面流速，从而增加了机翼的升力；与传统认识不同的是腹撑对阻力影响为负，且主要影响部件为缝翼，原因为缝翼下偏使得法矢分量向前从而减小了阻力；腹撑对俯仰力矩影响的主要部件是机身及平尾。研究结果揭示了腹撑对飞机气动特性影响的量级、主要影响部件及其流场变化，可为支架干扰数据修正及支架优化设计提供参考。所得结论可更好用于支架干扰试验的开展及风洞到飞行数据的修正，具有一定的工程实用性。     

尾旋预测中气动参数的拟合研究

针对现代高机动性能飞机大迎角动态特性分析，特别是在飞机尾旋特性分析预测中，需要的大量风洞实验气动力数据，推出采取多元最小二乘拟合法，进行高次多项式非线性拟合的方法，以某飞机旋转天平风洞实验实验气动力数据为例，进行了数据拟合分析，同时，应用拟合结果进行了该飞机的尾旋特性预测，并给出了部分计算结果和飞行试验结果的比较，证明所推出的数据拟合方法及得出的拟合结果，在大迎角研究领域应用中是可靠的。     

基于CFD的机翼结冰过程分析

采用一种适用于分析机翼结冰过程的数值模拟方法,该方法在飞机结冰气象条件下采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）对机翼流场进行计算,获得流场中二维机翼翼型的水滴撞击特性,并遵循质量和能量守恒方程,计算出机翼表面的结冰量,预测出机翼的积冰形状。所得冰形与文献中的试验数据吻合良好,表明数值模拟方法有效。另外还分析了结冰对机翼升力、阻力和压力系数的影响,其结果可以指导飞机机翼防／除冰系统的设计研究