高超声速双模块内转式进气道的流动特性研究-Part II 攻角影响

为了研究飞行攻角对高超声速双模块内转式进气道流动的影响,本文通过试验和仿真方法,获得了0°,4°和6°攻角条件下进气道模块内的流动结构。结果表明：在本文研究的攻角范围内,进气道均可起动,进气道压缩面侧的压力变化体现了基准流场的流动特性。在耦合作用下进气道模块间压缩面诱导的激波形态沿流向由弓形逐渐发展为钟形,并且在外压缩激波的扫掠影响下进气道的三个角区出现了强度不同的旋涡结构。进气道压缩面侧的角区旋涡随着攻角的增加而逐渐增强,而进气道出口截面上低能流区域随着攻角的增加而逐渐减小。低能流区域内的二次旋涡呈现不同的变化趋势,位于上半截面的旋涡随着攻角的增加其逐渐向上移动,而位于下半截面的旋涡位置基本保持不变。     

Effect of an end plate on surface pressure distributions of two swept wings

A series of wind tunnel tests was conducted to examine how an end plate affects the pressure distributions of two wings with leading edge(LE) sweep angles of 23° and 40°. All the experiments were carried out at a midchord Reynolds number of 8×10~5, covering an angle of attack(AOA) range from -2° to 14°. Static pressure distribution measurements were acquired over the upper surfaces of the wings along three chordwise rows and one spanwise direction at the wing quarter-chord line. The results of the tests confirm that at a particular AOA, increasing the sweep angle causes a noticeable decrease in the upper-surface suction pressure. Furthermore, as the sweep angle increases, the development of a laminar separation bubble near the LEs of the wings takes place at higher AOAs. On the other hand, spanwise pressure measurements show that increasing the wing sweep angle results in forming a stronger vortex on the quarter-chord line which has lower sensitivity to AOA variation and remains substantially attached to the wing surface for higher AOAs than that can be achieved in the case of a lower sweep angle. In addition, data obtained indicate that installing an end plate further reinforces the spanwise flow over the wing surface, thus affecting the pressure distribution.     

膨胀效应对激波/湍流边界层干扰的影响

采用直接数值模拟方法对来流马赫数2.9,30°激波角的入射激波与膨胀角湍流边界层干扰问题进行了数值研究。入射激波在壁面上的名义入射点固定在膨胀角角点,膨胀角角度分别取为0°、2°、5°和10°。通过改变膨胀角角度,考察了膨胀效应对干扰区内复杂流动现象的影响规律和作用机制,如分离泡、物面压力脉动特性、膨胀区湍流边界层和物面剪切应力脉动场等。研究发现,膨胀角角度的增大使得分离区流向长度和法向高度急剧降低,尤其是在强膨胀效应下分离泡形态呈现整体往下游偏移的双峰结构。物面压力脉动功率谱结果表明,膨胀角为2°和5°时,分离激波的非定常运动仍表征为大尺度低频振荡,而膨胀角为10°,强膨胀效应极大地抑制了分离激波的低频振荡,加速了下游再附边界层物面压力脉动的恢复过程。膨胀区湍流边界层雷诺剪切应力各象限事件贡献和出现概率呈现逐步恢复到上游湍流边界层的趋势,Görtler-like流向涡结构展向和法向尺度变化剧烈,同时在近壁区将诱导生成大量小尺度流向涡。此外,物面剪切应力脉动场的本征正交分解分析指出,膨胀效应的影响体现在低阶模态能量的急剧降低从而使得高阶模态的总体贡献相对升高。     

飞行器级间段跨声速脉动压力特性试验

通过脉动压力风洞试验测量，对比分析了跨声速（马赫数介于0.75~1.2）不同锥角和锥长大小的级间段对锥柱外形飞行器局部脉动压力的影响规律。结果表明，肩部脉动压力主要由以低频为主导的激波振荡所致，能量集中在100 Hz左右的窄带区间，且表现为随着马赫数增加，脉动压力系数峰值先增大后减小，并随着肩部激波的后移而不断向后推移。此外，通过对比分析5种不同锥角模型（10°、12.7°、15.3°、20°、25°）的脉动压力系数最大值发现，随着锥角的增加，脉动压力表现出当锥角小于15°时先平缓增加，随着锥角增大脉动压力系数增加幅度进一步加大的趋势。对比分析不同锥长模型的结果发现，锥长对局部脉动压力的最大峰值几乎没有影响，影响的只是脉动压力在肩部作用区域的大小以及峰值出现的马赫数范围，且表现为锥柱级间段越长其作用范围越大，对应于峰值的马赫数区间越宽。     

对不同转角扩压叶栅内弯叶片的数值模拟

通过数值模拟,分析了叶片周向弯曲对不同转角的压气机叶栅内分离结构和叶栅损失系数的影响。折转角分别为37,°46°和54°;冲角分别为±5°和±10°,弯角分别为±10,°±20°,±30°。结果表明,在不同折转角下,叶片正弯的表现不同:折转角较小时,正弯增强了吸力面的二次流,叶栅总损失增加;中等折转角时,叶片正弯可以有效遏止角区分离,并改善吸力面分离型态;大折转角时,较小的叶片正弯可以改善流动,但弯角大于20°时,流动重新恶化。反弯使得叶栅内角区分离趋势增加,气动性能明显降低。不同冲角下,弯角对损失影响的变化趋势基本相同,只是正冲角增强了这种趋势,负冲角减弱这种趋势。     

齿根倾斜锯齿尾缘叶片噪声控制实验

针对NACA0018翼型传统锯齿尾缘的钝型齿根部,设计了一种具有齿根倾斜的新型锯齿尾缘,并采用实验方法研究了齿根倾斜角对翼型尾缘噪声的影响规律。研究结果表明,新型锯齿尾缘在大攻角范围内（12°~18°）,可使叶片噪声下降3.2~17.1dB,在小攻角范围,对中频范围出现的“驼峰”有抑制作用,且齿根倾斜角为30°的新型锯齿尾缘叶片消除了声压频谱的“驼峰”窄带峰,整体噪声下降0.2~1.5dB。      

叶片弯曲对大折转压气机叶栅内分离结构的影响

通过数值模拟,分析了叶片周向弯曲对大折转角压气机叶栅内分离结构的影响。弯角分别为±10°,±20°,±30°。应用壁面流谱的拓扑法则,详细讨论了不同弯角下的分离形态。结果表明,正弯可以有效遏止角区分离,改变吸力面的分离形态,但不能完全消除吸力面的分离。因此一定范围内的叶片正弯可以改善流动,但当弯角大于20°时,流动重新恶化。反弯则使得叶栅内分离趋势增加,气动性能明显降低。     

一种鼻锥钝化高超声速轴对称进气道流动特性实验

前缘钝化尺度是高超声速进气道设计中的关键参数。针对一种前体锥加弯曲压缩面的高超声速轴对称进气道,选取最大尺度为3.2mm(5%唇缘半径)的几种典型鼻锥钝化半径,在马赫数Ma=6来流,及模型安装攻角为0°、4°、7°的条件下开展鼻锥钝化尺度对进气道流动性能影响的实验研究。采用纹影拍摄及压力测量记录各来流条件下进气道前体流场结构及壁面压强分布,并在无攻角来流条件下利用微型扰流器进行边界层强制转捩研究。结果表明,对无攻角来流而言,即使是尺度高达3.2mm的钝化半径对进气道前体流场结构及壁面静压分布也基本没有影响。此来流条件下,几种不同鼻锥钝化半径的前体压缩面均出现小范围流动分离,而添加扰流器后该分离区均消失。钝化尺度的影响随着攻角的增加而显现,尽管不同鼻锥钝化尺度下迎风面流场及壁面压强分布几乎没有差别,但背风面随钝化尺度增大表现为边界层明显增厚、流动趋于不稳定。其中最大钝化尺度R=3.2mm的构型在4°攻角来流时背风面即出现明显的分离区,而7°攻角来流时背风面更是出现大范围流动分离、进气道背风侧不起动,并导致进气道内部壁面压强显著下降。     

采用弯叶片的不同折转角压气机叶栅流场气动性能

实验研究了叶片弯曲对不同叶型折转角环形扩压叶栅气动性能的影响,分析了叶栅出口总压损失和二次流速度矢量分布,并给出了壁面静压分布及壁面墨迹流动显示结果。研究结果表明,叶型折转角越大损失分布的对称性越差,根部损失增加明显;弯曲角度和叶型折转角的增大将使得正弯叶栅吸力面反“C”型静压分布加剧,60°叶型折转角叶栅中径处负荷随叶片弯曲角度变化的敏感性强,大弯角时气流易分离,导致总损失激增;综合来说,对比直叶栅,正弯15°叶栅在各种叶型折转角正弯叶栅中减小损失效果最好。     

不同喷口扩张角下离心喷嘴雾化锥角特性研究

为研究扩口式离心喷嘴的雾化锥角特性,对5个不同扩张角度的喷嘴展开了试验与数值计算研究。试验以RP-3航空煤油为工质,采用高速摄影对油雾场进行拍摄,Matlab二值化处理得到雾化锥角;数值计算采用VOF(volume of fluid)方法结合RSM(reynolds stress model)湍流模型。研究表明：随着扩张角的增大,锥角不是单一的变化规律,而是呈先增大后减小的趋势,且不同油压差下锥角峰值及其对应的扩张角有所差异。揭示了随扩张角增大,扩张段内液膜呈现附壁/未附壁两种流动模态。结合试验与理论计算结果分析,发现供油压差增大后,60°扩张角会限制锥角的大小,使锥角峰值出现在90°扩张角处。然后比较100°、120°扩张角的气液两相图,发现扩张段内的射流使附近空气与其同方向运动产生回流区,而回流区与空气核相互作用反过来又影响着射流的偏转幅度,决定液膜未附壁时的锥角值。最后比较发现平口喷嘴的雾化特性决定了两种模态的出现与否,解释了已有研究中规律不一致的原因。     

钝缘舵高超音速湍流分离特性

给出由半圆柱前缘舵诱导的高超音速湍流分离的实验结果。实验气流Ｍａｃｈ数为７．８,单位长度Ｒｅ数为３．５×１０７ｍ－１。结果表明：钝缘舵诱导的湍流分离极不稳定,分离激波出现大尺度低频振荡,使壁面压力和热流率无量纲标准偏差在主分离线附近达最大值。Ｍａｃｈ数愈高,最大无量纲标准偏差值越大。在前缘区前缘直径是控制分离流场尺度和平均壁面压力、热流率分布的主要参数     

双三角翼及其翼身组合的滚转运动特性比较研究

采用Navier-Stokes方程与滚转运动方程耦合计算方法,比较研究了不同后掠角的双三角翼和翼身组合体的滚转运动特性,分析了机翼前缘后掠角及细长机身对非定常滚转力矩时滞环、动态流场结构和物面瞬时压力分布的影响。研究结果表明：主翼迎风面上的融合涡能量在80°/60°双三角翼上耗散较小,而在76°/40°双三角翼上耗散严重,这是造成两模型滚转力矩稳定性与时滞特性差异的主要因素;机身对气流的扰动作用,大幅增强了滚转力矩的线性分量;机身对气流的上洗作用,增强了边条涡与融合涡吸力及其时滞性,同时加剧了主翼背风面的两涡干扰;大滚转角时机身对横流流动的干扰,使得主翼背风面压力分布的时滞差异显著增加。该研究结果有助于认识后掠角与细长机身影响双三角翼滚转运动特性的物理机理。     

二维高超声速压缩面斜激波系的优化配置

选择进气道外压缩段的气流转折角为设计变量,以进气道的压升比为约束条件,分别以总压恢复系数和阻力系数为优化目标,基于一维气体动力学,在飞行马赫数6,飞行高度25 km,进气道出口气流方向与自由来流夹角等于0,°2,°4°和6°的条件下,对二维混压式高超声速进气道进行了优化设计,得到了优化的斜激波配置。优化结果表明,在所讨论的各种情况下,以阻力系数最小为目标得到的外压缩段斜激波系与以总压恢复系数最大为目标得到的外压缩段斜激波系基本相同,都近似为等强度斜激波系。运用数值模拟手段验证了等强度斜激波系配置原则,本文提供的方法可以用于二维混压式高超声速进气道的初步设计。     

基于Busemann压升规律的可控消波内转基准流场设计

通过将经典Busemann设计方法和特征线反设计方法相结合，实现了对基准Busemann流场的气动截短，构建了一种具有基准Busemann流场截短压升规律的可控消波内转基准流场.通过数值模拟对可控消波内转基准流场及其追踪得到的“糖勺”型进气道进行了无黏验证分析.结果表明:特征线和CFD计算结果相吻合，可控消波内转基准流场设计合理可行.该基准流场继承了Busemann设计方法的高效压缩特性，且反射激波得到有效控制，基本实现消波，性能优于传统的截短Busemann流场.在设计点马赫数为7条件下，喉部截面参数均匀，增压比为18.32，总压恢复系数为0.878，压缩效率为0.936，隔离段内几乎无损失,出口气流匀直，气流角均在±0.4°以内.流线追踪得到的“糖勺”型进气道出口形状更加饱满，流动特征与可控消波内转基准流场基本一致.      

新型桨尖抑制旋翼跨声速特性的影响分析

为研究不同形式的新型桨尖在抑制旋翼跨声速特性方面的作用,开展了多种桨尖对旋翼局部流动及气动特性影响的数值分析研究.发展了基于高效嵌套网格方法的旋翼流场高精度CFD求解方法.在此基础上,详细分析了桨尖外形对旋翼桨叶跨声速区域激波强度、激波诱导气流分离、桨尖涡尾迹及气动性能的影响.数值结果表明:桨尖的后掠和上反在缓解旋翼跨声速特性方面的作用相对较小;桨尖前掠和下反能更有效地减少桨尖外端跨声速区域,降低该位置激波强度并缓解激波-附面层干扰诱导的气流分离;后掠桨尖在减小旋翼反扭矩方面的整体效果良好,直线前掠桨尖在大桨盘拉力状态能够更有效降低旋翼扭矩(直线前掠30°时,扭矩降低达12.3%),桨尖下反可以有效抑制桨尖涡强度(抛物下反30°时,桨尖涡强度降低50%),并加快桨尖涡尾迹的耗散.      

角度和孔间距对双向扩张型孔流量系数影响的实验

为了研究非常规扩张孔的流动特性,测量了一排7个双向扩张孔的平均流量系数.气膜孔的前倾角为20°,45°和90°,径向角为0°,30°和65°,孔间距与孔径比为2,3和4.动量比变化范围为1到8.结果表明,径向角为0°的流量系数随前倾角的增加显著增加.前倾角为20°的流量系数随径向角的增加略有减小.前倾角为90°的流量系数随孔间距的增加而增加.      

展向振荡对激波/湍流边界层干扰的影响

周期振荡作为一种有效的壁面流动控制手段受到广泛关注,而其对激波/湍流边界层干扰的影响目前鲜有研究。本文采用高精度直接数值模拟（DNS）方法对马赫数2.9、12°激波入射角、强振荡下的激波/湍流边界层干扰进行了系统研究。通过与无振荡工况的定量比较,揭示了展向强振荡对干扰区内复杂流动结构的影响规律及作用机制,如分离泡尺度、物面压力脉动非定常特性、物面剪切的非定常特性及统计特征等。研究发现：在展向强振荡作用下,分离点位置提前,间歇区长度增大;同时由于分离泡内强黏性耗散的影响,展向振荡的穿透高度约为分离泡高度的4%,因而对流动结构不会产生实质影响。但展向强振荡会对壁面附近流动造成显著影响,如强振荡诱导的壁面展向速度远大于流向速度,造成流向剪切与展向剪切之间夹角的概率密度函数峰值从0°偏移到80°~90°之间。物面压力及剪切本征正交分解分析表明,展向振荡会导致模态能量从低阶模态向高阶模态转移,降低低频运动的能量占比,增强再附后Görtler涡等壁面附近旋涡结构的强度。     

超音速钝体无粘绕流的计算

研究用三维特征线相容性关系的迎风差分格式,数值模拟超音速和高超音速钝体无粘绕流流场。用钝体反方法计算头激波及其波后的流场,用轴对称流特征线法确定初值面上的流动参数。算例的计算结果与实验数据比较吻合     

外涵静子后掠对某风扇/增压级气动特性的影响

针对某大涵道比风扇/增压级外涵静子后掠降噪的优化设计目标,采用1种周向平均快速特性预测计算方法和3维数值模拟软件NUMECA,对其100％设计转速下外涵静子无后掠及轴向后掠22.5°和30°算例的特性曲线及流场进行了对比分析,以研究外涵静子轴向后掠对风扇/增压级特性及气动性能的影响规律.结果表明:一定程度的轴向后掠角度会使静子表面静压在叶尖处增强,而根部的叶片表面静压分布更趋均匀,风扇/增压级的外涵气动特性在裕度上无明显恶化;但严重的后掠角度则会导致叶尖叶片表面载荷显著增加,从而造成外涵的喘振裕度减小,进而影响整个风扇/增压级的气动性能.     

不同攻角条件下偏转头弹箭流场与气动特性

基于DES（detached eddy simulation,分离涡模拟）方法及AUSM（advection upstream splitting method,对流迎风分裂方法）格式,对不同偏角的偏转头弹箭在非零攻角下的超声速流场和气动特性进行了数值模拟.结果表明:在非零攻角情况下,与常规弹箭流场相比,偏转头弹箭头部迎风面激波更强;而当有效入射角相等时,即使弹箭的攻角不一样,其头部流场结构仍相同,且尾翼流场基本不受头部偏角影响.另外,由气动力系数变化曲线可知,偏转头弹箭具有良好的纵向静稳定性,且升力系数随攻角的增长率大于阻力系数,即升阻比大于常规弹箭,因此适当增大攻角可以提高偏转头弹箭的气动特性.