Φ5m立式风洞旋转天平试验装置研制

Φ5m立式风洞旋转天平试验装置是为开展飞机尾旋特性研究而研制的重要基础设备,主要用于测定模型在绕风轴以不同速率作等速旋转状态下的气动特性,为飞机尾旋特性的分析和预测提供必要的气动参数。该装置采用双立柱弧形轨结构形式,采用网络一体化试验管理和控制模式,不但能够开展旋转天平试验,而且还具备动导数试验、大迎角试验、旋转/振荡耦合试验等功能。主要介绍旋转天平试验装置系统组成和设计,分析了引导性试验结果,最后给出了结论。     

F12全机动态特性数值模拟

采用非定常正弦振荡和准定常旋转坐标系两种数值模拟方法,对F12全机模型三个攻角进行动态特性数值模拟,得到飞行器的纵向组合动导数和阻尼动导数,计算结果与试验数据对比具有良好的一致性,同时用无粘和粘性两种计算方程进行准定常旋转坐标系模拟,计算结果一致,表明两种数值模拟方法准确性高,计算速度快,可为设计提供快速可信的数据支持。     

吸气式内外流一体化飞行器动导数数值模拟

动导数是飞行器轨道及姿态控制系统设计时的重要参数,对飞行器开环系统受到扰动时振荡的敛散特性起重要作用。在标模验证的基础上开展吸气式内外流一体化飞行器WR-A动态特性分析,采用N-S方程模拟强迫简谐振动的非定常流场,获得了飞行器的直接阻尼导数、加速度导数和旋转导数,并对WR-A外形大振幅振动时的进气道性能参数进行了分析。研究表明,在某些情况下反映流动时滞效应的加速度导数占直接阻尼导数的比例最高可以达到40%以上,而在某些情况与直接阻尼导数符号相反。此外,在动导数研究基础上,采用参数化的动导数概念初步开展了非定常气动参数建模研究。针对WR-A大振幅强迫振动的研究显示,采用所建立的模型预测的气动参数与完全非定常计算吻合较好。     

旋转流场下大幅滚转振荡试验研究

本文论述了在一航气动院的FL-8风洞中进行了旋转流场下的大幅滚转振荡试验，对部分试验结果进行了分析，发现旋转流场不会改变中小预置迎角下的滚转力矩的阻尼发散特性，对偏航阻尼发散特性存在强烈的影响。振荡频率也会影响偏航阻尼发散特性。     

旋转流场下的动导数测量相关滤波原理及技术关键的对策

本文主要介绍了应用飞机非定常动态模拟综合实验系统对飞机模型进行旋转流场下动导数测量的原理，以及数据采集的处理原理和方法。     

基于刚性动网格技术的动导数数值模拟

基于刚性动网格技术,建立了俯仰动导数的非定常数值计算方法.首先使用小幅度强迫俯仰振荡方法求解俯仰组合动导数,然后利用小幅度强迫升沉振荡方法求解洗流时差导数,通过两者相减即可得到俯仰阻尼导数.利用国际动导数标准模型Finner导弹进行算例验证,计算得到的俯仰组合动导数与试验值误差为2.76%,洗流时差导数值约为俯仰阻尼导数的11.5%,与文献的结果一致.结论表明:动导数单独模拟方法具有较好的工程实用价值,且可以推广到横向以及航向的动导数数值模拟.      

虚拟飞行试验技术介绍

飞行器在大迎角下机动飞行，流动状态的非定常性是其重要特性。对飞行器的非定常气动特性研究预测，主要还是以风洞试验为主。以前风洞试验主要是动导数试验和大迎角非定常试验。由于这两种试验的局限性，AEDC最近开始研究一种新的风洞试验技术一虚拟飞行试验技术。本文主要是对这种新的风洞试验技术研究情况做了介绍。     

基于非定常CFD方法跨声速民用飞机标模俯仰气动导数计算研究

采用非定常计算流体力学(CFD)方法和动网格技术,计算了跨声速民用飞机全机构型TCR气动标准模型在0°~30°迎角范围内气动力系数的时均值、俯仰静导数和俯仰动导数;通过与试验结果对比,研究了非定常CFD方法在较大迎角范围内对包含鸭翼、垂尾等部件的复杂外形气动导数的计算精度。与试验结果对比表明,在16°~24°迎角范围内,受鸭翼和机翼上流动分离再附以及内外翼分离涡相互作用等复杂流动结构的影响,俯仰力矩系数的动导数与试验数据有相对较大的差异。     

飞机平尾偏转对大迎角动态气动特性的影响

给出了 BJ-1背景机有不同平尾偏角时静态和大振幅俯仰振荡情况下的气动特性。根据风洞实验结果,采用基于三角剖分数据库建模的方法,计算了任意平尾偏角和任意振动频率时的背景机动态气动特性,与实验结果比较表明,提出的有平尾偏角的建模方法能提供任意舵偏时的全机气动特性。在非定常建模的基础上,采用动导数仿真,分析了不同平尾偏角时的动导数,结果表明,水平尾翼偏角主要对零动态阻尼所对应迎角有较大影响,随着舵偏角的增大,该迎角减小。     

高超声速边界层转捩对旋转钝锥自由飞运动的影响

通过在钝锥模型表面上布置人工绊线促使边界层强迫转捩,采用运动自由度不受约束的风洞模型自由飞试验技术研究边界层转捩对高超声速旋转钝锥自由飞行运动特性和气动特性的影响规律,并与自然转捩的旋转钝锥风洞模型自由飞试验结果作对比分析,试验马赫数为5.0,以模型长为特征尺寸的自由流雷诺数为1.68×106。研究结果表明:有人工绊线的旋转钝锥在自由飞行过程中有"激励稳定"的绕流流场,产生动态稳定的自由飞运动(动稳定导数系数小于0),而无转捩绊线的旋转钝锥在自由飞行中则有"激励不稳定"的绕流流场,产生动态不稳定的自由飞运动(动稳定导数系数大于0)。     

一种提高风洞动态试验数据质量的模型姿态控制和测量技术

低速风洞动态试验装置通常采用“电机+减速器+偏心机构+线性传动机构”的方式,存在传递环节多、机械间隙大等问题,给模型运动的精确控制和模型姿态的精确测量带来较大困难。为满足大型客机等大飞机对低速风洞动态试验的要求,基于现有的静态试验通用支撑平台,采用“电子凸轮”技术,建立了一套迎角/侧滑角解耦、可进行飞机小振幅动导数和大振幅非定常气动特性研究的动态试验装置。利用该动态试验装置进行了某飞机大尺度动态试验模型动导数试验和大振幅振荡试验,获得了试验数据的重复性,并研究了动态试验数据和静态试验数据之间的相关性。试验结果表明：利用该装置获得的某飞机动态试验数据重复性较好、规律合理,能满足大型飞机动态试验要求。     

民机极限飞行状态的动态气动力试验与建模

飞行失控是造成民机灾难性航空事故的重要因素,飞行失控中飞机难以避免超出正常飞行包线范围,进入具有复杂非线性和非定常动态气动特性的极限飞行状态。本文开展典型民机布局飞机极限飞行状态的动导数、大振幅试验,对大迎角动态气动力的参数影响规律以及非线性、非定常特性进行分析和建模。结果表明,在飞机失速到过失速区域,飞行姿态快速变化过程中动态气动力的非线性和非定常特征显著;在动导数试验和建模中,考虑运动角速率的影响,可以预示气动力非线性的迎角范围,并捕捉到关于飞机动稳定性演化的关键特征;利用Goman-Khrabrov状态空间模型结合大振幅试验,可以确定模型中表征非定常特征的关键时间常数,获得特定极限飞行状态运动中的非定常动态气动力特性。研究方法和结果为开展民机极限飞行状态的动态气动力风洞试验设计与建模提供了一个可行途径,能改进飞机飞行失控预防、极限状态改出、飞行模拟训练和飞行事故分析等。     

考虑地面效应的翼型动态特性数值模拟

为了研究考虑地面干扰的飞行器非定常气动特性,基于滑移网格技术,通过求解二维非定常Euler方程,对不同近地高度下的NACA0012翼型的动态振动特性进行了数值模拟。分析了存在地面干扰时的升力系数以及俯仰力矩系数迟滞环变化,并结合强迫振动法,计算了翼型各个近地高度下的纵向组合动导数。结果表明,地面效应不仅对定常流场产生影响,更显著地影响了非定常气动力及力矩,近地高度越小,这种效应越明显,使得升力系数的迟滞环面积变小,幅值减小,而俯仰力矩系数的迟滞环变化不规律,力矩系数的动导数随着近地高度减小而增大(绝对值减小),纵向的动态稳定性产生损失。地面效应干扰在飞行器非定常气动研究中应该引起重视。     

高速风洞动导数试验精准度提升研究

随着高机动性飞行器的发展,准确获取飞行器的动导数尤为重要,进而对传统动导数试验技术的精准度要求越来越高。然而,在高速风洞试验中,由于模型尺寸小、气动载荷大、振动幅值小,与低速动导数试验相比,高速动导数试验面临的困难更大。为了提高高速动导数的试验精准度,针对以上特点,对模型在振动过程中的受力情况、振动机构设计以及信号干扰等问题进行了详细分析与总结,并应用于型号试验中,试验结果显示高速风洞动导数重复性精度提高至10%以内。通过所做的研究工作,高速动导数试验技术得到了提升,同时,文中对高速动导数试验技术的未来发展趋势也做了简要介绍。     

大振幅实验对常规动导数实验包容性研究

某飞机模型在南京航空航天大学NH-2低速风洞中进行大振幅振动动态试验.模型绕通过重心的机体坐标轴分别作单独俯仰、偏航、滚转的大振幅振动,采用内式应变天平测量模型的非定常空气动力.通过非定常空气动力建模和动导数仿真方法,获得模型的纵横向稳定性导数和交叉导数.仿真结果与常规动导数试验结果比较,两者在量级和规律上一致.分析表明,模型大振幅振动实验结果包含了常规动导数实验的信息,模型的动导数可以从大振幅振动实验结果中获取.     

基于阶跃响应的飞行器单独静、动导数数值求解方法

基于阶跃响应方法,结合刚性动网格技术,对飞行器的单独静、动导数的精细化数值计算进行了研究.以纵向为例,通过给物面施加恒定附加攻角,求解得到阶跃响应运动过程的非定常气动力,求导得到静导数.同样给物面施加恒定的俯仰角速度,并同时强迫物面平动以抵消俯仰转动产生的附加攻角影响,可由非定常气动力求导得到动导数值.分别利用NACA0012翼型和三维SACCON飞翼无人机进行了计算验证,各攻角下的静、动导数值与文献、试验结果吻合得很好,最大误差不超过5%.结论表明:基于阶跃响应的单独静、动导数直接模拟方法计算耗时仅为传统强迫振动方法的21%,效率相对较高,且可推广到横航向的动导数计算,为飞行器的稳定性研究提供参考.      

翼型动态特性数值模拟及其影响因素分析

采用非结构动网格技术模拟了NACA 0012翼型绕1/4弦长位置俯仰的强迫振荡过程,验证了翼型的周期性动态气动特性。分析了不同的湍流模型、单周期内步数和内迭代次数等因素对计算结果的影响;研究了马赫数和减缩频率对动态气动迟滞特性的影响。结果表明, Transtion SST模型得到的结果更准确;单周期内计算步数大于200时,计算结果收敛性更好;随着马赫数变大,迟滞效应先增大后减小;在亚音速区,迟滞环沿逆时针方向,动导数小于零,模型动稳定;而在跨音速区,迟滞环沿顺时针方向,动导数大于零,模型动不稳定;减缩频率越大,翼型动态迟滞效应越明显。     

Abnormal changes of dynamic derivatives at low reduced frequencies

A number of studies have found that abnormal changes of dynamic derivatives occurred at very low reduced frequencies, but its inducement mechanism is not very clear. This paper has researched the abnormal changes and analyzed the influence on some parameters by solving the unsteady flow around forced oscillation airfoils based on Navier-Stokes equations. Results indicate that when the reduced frequency approaches to zero, the dynamic derivatives obtained by the numerical method will diverge. We have also proven it in theory that this phenomenon is not physical but completely caused by numerical singularity. Furthermore, the abnormal phenomenon can be effectively mitigated by using the time spectral method to solve the aerodynamic forces and the integral method to obtain the dynamic derivatives. When the reduced frequency is in the range of 0.001–0.01, the dynamic derivative maintains nearly unchanged for the whole speed region. This study can provide a reference for the reasonable choice of the reduced frequency in calculations and experiments of dynamic derivatives.     

飞机尾旋特性的综合数据分析法

为得到飞机的尾旋特性准确的非线性仿真结果,提出了新的综合数据分析方法,在气动力建模时采用综合因子,合理地将总角速度分解成沿速度矢的分量和沿３ 个体轴的分量,沿速度矢量的旋转角速度用于旋转天平试验数据;旋转角速度的其它分量用于振荡天平试验数据,综合地使用了各类试验数据。给出的不同类型的六自由度仿真结果表明,综合数据分析法的结果和试飞结果相当吻合。