不同舵翼操纵面形式的水动力及艇后流场特性数值模拟研究

为研究共翼型舵和非共翼型舵两种操纵面形式的艇后流场特性及螺旋桨推进特性,基于SST(Menter)湍流模型建立了SUBOFF标准潜艇模型尾流场数值预报模型。经试验结果验证,所建立数值模型进行潜艇尾流场及螺旋桨推进性能预报具有较高精度。将SUBOFF潜艇模型的水平舵改进为共翼型舵及非共翼型舵,对艇后流场及水动力性能进行了预报。数值结果表明：在舵角小于10°时,共翼型舵使潜艇的俯仰力矩和垂向力相对非共翼型舵提升20%以上;在舵角超过10°时,共翼型舵的水动力优势随着舵角增大而减小。尾部流场预报显示：共翼型舵在小舵角时可以有效的消除舵翼结合处的涡流,同时共翼型舵可以有效的降低桨盘面伴流的不均匀性,对尾流品质的改善效果优于非共翼型舵。螺旋桨计算结果显示：共翼型舵螺旋桨推进系数在大部分舵角下都小于非共翼型舵,在舵角为20°时,共翼型舵相对非共翼型舵推力系数下降3.5%,扭矩系数下降2.4%;同时共翼型舵的桨盘面流场均匀度要优于非共翼型舵,舵角为5°时,共翼型舵桨盘面处流场不均匀度相对于非共翼型舵要降低7.1%,舵角为25°时则降低25.1%。     

不同翼型厚度和来流马赫数下的桨涡干扰噪声分析

桨涡干扰噪声是直升机气动噪声主要组成之一，为了正确预测和降低直升机噪声，必须开展气动噪声相关物理参数研究。在对声场进行计算流体力学（CFD）直接数值模拟的基础上，分析了不同厚度和来流马赫数下二维平行桨涡干扰噪声传播特性和声源位置，分析了翼型厚度和来流马赫数对桨涡干扰噪声的影响，并得到了可压缩情况下远场声压预测公式。研究表明，低马赫数下，翼型厚度对噪声指向性影响不大，高马赫数下，翼型厚度对噪声指向性影响程度增大；噪声强弱主要随来流马赫数变化，翼型厚度对其影响较小；翼型厚度和来流马赫数变化不会改变声源点位置。开展不同翼型厚度和来流马赫数下的桨涡干扰噪声分析可以为进一步了解并控制直升机桨涡干扰噪声提供一定的参考。     

围壳形状对潜艇流致噪声的影响计算

针对潜艇在航行中产生的流噪声现象,建立了适合于潜艇绕流过程中流噪声计算的三维数值方法和计算程序。其基本思路为:采用多块技术与SIMPLE方法求解RANS方程计算定常流场,在稳态流场的基础上,采用迭代时间推进法和DES湍流模型求解非定常流场,再根据瞬态流场结果采用Lighthill声比拟方法获得声观测点随时间变化的声压。对尺度放大的潜艇标模SUBOFF以及三种改进的围壳外形进行了流致噪声比较计算,获得了不同围壳外形的声压频谱和总声压特性以及典型模型的表面脉动压力分布规律。结果表明:把潜艇围壳后缘形状从矩形变为梯形,可控制围壳的尾流摆动,能够有效降低潜艇流噪声,最大的降噪效果可达5dB左右。     

消除小展弦比尾舵大舵偏非对称流动现象的方法研究

在前期的风洞试验结果中已经证实,跨声速条件下,俯仰舵偏角增大到一定程度时,呈开口布局的一对尾舵形成的翼尖涡会相互干扰,使得两侧的翼尖涡强度不同,形成非对称流动现象,进而使全弹产生较大的横侧向气动力,对尾舵的控制能力提出了挑战,需要开展消除非对称流动的方法研究。本文基于数值模拟方法对非对称流场随舵偏角的变化进行了研究,并对该非对称流动现象产生的机理进行了分析,基于此,在保持舵面效率不降低的情况下开展了消除非对称流动现象的方法研究。研究结果表明,随着舵偏角的增加,呈开口布局一对尾舵的翼尖涡距离逐渐减小,翼尖涡由弱的不对称性,逐渐发展直到其中的一侧翼尖涡消失,研究结果还表明通过尾舵前缘局部切角和降低尾舵根弦长的方法在保持尾舵效率不降低的情况下,能够有效消除非对称流动现象,对类似布局设计具有指导意义。     

低雷诺数翼型绕流的电磁控制

对低雷诺数不可压翼型绕流在Lorentz力(电磁力)作用下的流场变化情况进行了实验探讨.发现当施加的Lorentz力与翼型表面流向相同时,其表面流体的分离被抑制,从而使尾流涡消失,且翼型阻力减小而升力增加;当Lorentz力与流向相反时,则其受阻力变大而升力降低.     

基于马蹄涡模型的飞机尾流介电常数分布的快速建模方法

为便于研究飞机尾流电磁散射特性,提出了一种飞机尾流介电常数分布的快速建模方法。根据马蹄涡模型得到飞机尾流的诱导速度场,并利用Euler方程和等熵流方法求出了尾流的热力学参数分布,进而得到介电常数分布。同时,提供了一种将针对一种飞机计算出的结果外推到另一种飞机上的方法,避免了重复计算。该方法具有计算量小、涉及参数少的特点,是一种快速简便地模拟飞机尾流介电常数分布的方法。     

尾缘襟翼对扑翼的获能特性影响

扑翼获能器是一种模仿飞鸟振翅扑动的新型获能装置.为提高扑翼的获能效率,建立了一种带有尾缘襟翼的扑翼模型,且该种襟翼在扑翼运行过程中始终向翼型压力面偏转,利用计算流体力学方法求解了二维不可压缩非稳态Navier-Stokes方程.在雷诺数Re?=?4.7×105的工况下,分析了尾缘襟翼对扑翼流场的作用机理,并与原始翼型扑翼进行了对比.同时,还研究了翼型厚度对具有尾缘襟翼扑翼获能的影响.结果表明:扑翼升沉力做功占其获能的主要部分,应用尾缘襟翼后,扑翼的升沉力在整个扑动周期内都得到了提高,并且升沉力与升沉速度的协同性获得改善;尾缘襟翼对扑翼获能效率的提高作用在高频率下效果最为明显,最多可以得到23.5％的相对提升;此外,翼型厚度影响着扑翼前缘涡的演化,翼型厚度增加,前缘涡的生成受到抑制,扑翼获能效率则随翼型厚度增大呈先增加后降低的规律,因此存在最佳翼型.     

三维钝体结构风压分布与绕流特性的大涡模拟研究

针对风场作用下三维钝体结构的绕流特性与空间风压分布特性,采用大涡模型对其进行了数值模拟研究,以平均风速和脉动风速作为入口边界条件,在稳态分析的基础上对9种不同来流方向的工况进行了瞬态动力分析,再现了钝体绕流的冲撞、分离、重附着等现象,揭示了钝体绕流主、次涡循环区的形成、发展机理,提出了空间风压场分布的一般规律。研究表明:钝体绕流对流场风速剖面影响的强弱程度依次为尾流区、屋顶区、来流区,且对中心区域流场风速剖面的影响要大于两侧流场,并由中心区域向两侧逐渐减小;来流区钝体绕流特性与空间风压分布特性较屋顶区和尾流区稳定,尾流区涡旋的非对称生成、脱落对钝体左右两侧流场的冲撞、分离、重附着等具有重要的影响;来流方向与钝体呈45°或135°夹角时,对尾流风场的影响范围最小,但随着来流方向逐渐垂直于钝体,尾流影响区域也逐渐增大。     

虚拟体法数值模拟双圆柱强迫振荡系统

用虚拟体方法研究了均匀流及尾流中圆柱横向振荡的流动特征.单圆柱结果与相关试验吻合,得到了"锁定"区域,发现涡量跳跃现象.对小间距双圆柱的数值模拟发现,在"锁定"区域附近随激励频率的增加流场特征会出现若干显著的变化,包括涡量的跳跃,涡模态的改变,正负涡量带的形成和消失.在大间距情况下发现下游圆柱的振荡对上游尾涡脱落没有明显的影响,下游圆柱尾流场没有发现"锁定"现象.     

单排孔吸气诱导的层流边界层流场数值研究

结合单孔吸气感应的边界层三维流场的特点,使用Fluent求解器,数值模拟了单排孔吸气感应的三维层流边界层流场,研究了孔间距及吸气参数对流场结构的影响。结果表明：在孔间距为2倍孔径的条件下,纵向涡会相互作用形成一个周期性脱落的＂马蹄涡＂;在孔间距不小于5倍孔径的条件下,孔尾部都会形成类似＂牛角＂形的反向旋转纵向涡对;在孔间距为10倍孔径的条件下,吸气速度的增加以及位移边界层厚度的减小都会使得纵向涡的涡量峰值增大、涡核的间距增加以及涡核中心的距壁高度增大。该研究结果可为吸气层流流动控制的工程应用提供计算参考。     

俯仰振荡翼型推阻力转变滞后机制数值研究

扑翼产生的反卡门涡街被认为是一种推力型尾迹,但已有研究指出,随着斯特劳哈尔数(St)增大,低雷诺数下俯仰振荡翼型的净推力产生明显滞后于反卡门涡街的出现。为探究该现象背后的物理机制,对NACA0012翼型在雷诺数1000条件下作简谐俯仰运动的流场进行了数值模拟。采用翼型表面积分方法和基于有限控制体的气动力估计方法分别研究了翼面分布力特性和尾迹流场特性变化对阻力-推力转变临界点的影响。翼面分布力积分结果表明,当翼型振荡参数进入对应反卡门涡街尾迹形态区域时,翼面压力分布产生的推力分量无法克服剪切层的黏滞阻力,是造成俯仰翼型推力产生滞后于反卡门涡街出现的主要原因。对尾迹流场及相应的推阻力特性变化的分析表明,尽管反卡门涡街会产生“喷流效应”,但在St较小时,其产生的动量诱导推力无法克服反卡门涡自身的涡致阻力和尾迹流场压力损失引入的附加阻力,因此即使存在反卡门涡街也不能产生净推力,进而从流场分析的角度进一步解释了这一滞后现象的发生机制。     

高超声速飞行器钝舵缝隙流动数值模拟研究

目前,带缝隙钝舵的缝隙引起的流场结构和气动加热规律变化,还很不明确,需要研究缝隙诱导所形成旋涡的空间分布特征和旋涡运动对物面气动加热的影响规律。通过分析高超声速钝舵缝隙气动加热问题,基于无缝隙钝舵,建立一种带缝隙钝舵简化模型。使用有限体积方法求解可压缩Navier-Stokes方程,通量采用van Leer通量向量分裂方法计算。插值采用MUSCL方法,时间项采用LU-SGS隐式方法。结果表明:无缝隙钝舵流场结构相对简单,带缝隙钝舵流场结构同无缝隙钝舵相比要更为复杂,舵轴上游缝隙内会出现马蹄形涡串结构,相应地在缝隙的上下表面均会出现马蹄形高热流区;受缝隙诱导分离再附流动的影响,在舵轴迎风面以及舵体侧面后部均形成了局部高热流区。     

通道前缘小叶片对轴流压气机叶栅气动性能的影响研究

为了更好地控制压气机静叶角区分离,结合翼刀和涡流发生器的流动控制思想,提出一种在叶栅通道前缘端壁设置小叶片的新型流动控制手段。以某高负荷轴流压气机叶栅为研究对象,基于数值方法深入分析了不同周向位置和安装角的小叶片对流场的影响。结果表明：小叶片存在提升叶栅气动性能的最佳周向位置和安装角范围。在近失速工况附近,小叶片可减缓角区分离,提高全叶高的扩压能力,但会不可避免地增加中间叶高位置处的流动分离和气动载荷;小叶片可减少角区分离损失和尾迹损失,提高各流向位置处的静压系数。小叶片能阻碍马蹄涡压力面分支发展,减缓叶栅前缘附近的横向二次流动。从小叶片叶顶泄漏的诱导涡可将马蹄涡压力面分支推向流向,带走端壁和角区附近的低能流体,从而削弱通道涡强度。     

利用上游槽道对角区马蹄涡的控制

在平板上放置圆柱形成角区流动,利用布置在圆柱上游平板上的二维和三维槽道来控制或削弱角区马蹄涡,采用风洞试验和数值模拟开展研究。结果表明,二维和三维槽道均能推迟边界层的分离,使圆柱根部马蹄涡的强度减弱、尺度减小;同时槽道上游压力和逆压梯度均有所下降,槽道下游压力显著升高而逆压梯度总体降低。二维槽道对马蹄涡强度的削弱为61.15%~66.51%,而三维槽道对其削弱为66.65%~80.93%。讨论了三维槽道参数(包括槽道宽度、深度以及其中心线与圆柱中心距离)对控制效果的影响。槽道与圆柱的距离在对马蹄涡的控制中起主导作用。槽道控制的机理是,由于槽道的抽吸效应使得其上游靠近壁面的边界层中涡量较高的流体被卷吸入槽道形成槽道涡,槽道涡由三维槽道输运到下游。同时,随着槽道与圆柱的距离减小,更多的边界层流体流入槽道内。正是上述"槽道效应"使得槽道下游的逆压梯度降低,马蹄涡强度减弱,分离区范围减小。     

尾缘锯齿结构的降噪物理机制实验

对比分析了常规尾缘翼型与锯齿尾缘翼型尾缘湍流流场的基本特征,并通过线阵列的方法测量了两种尾缘结构的噪声.结果表明:锯齿尾缘翼型尾缘湍流流场的湍流强度以及3个方向上的湍流强度都相比于常规尾缘翼型有显著减少,声场结果显示锯齿尾缘翼型对尾缘噪声有显著减小,对前缘噪声影响很小.锯齿结构加宽了尾迹区域并加快了大涡的破碎,产生了额外的马蹄涡,湍流脉动衰减率沿着流动方向变大.      

共轴双桨涵道无人飞行器非定常气动特性

基于滑移网格技术和SST(shear stress transport) k -ω湍流模型,建立了模拟共轴双桨涵道无人飞行器(UAV)流场的CFD(计算流体动力学)数值方法,并通过计算风洞实验算例验证其有效性。数值模拟了共轴双桨涵道UAV在飞行过程中的动态流场,分析了涵道、飞行速度、螺旋桨转速、攻角等因素对其非定常气动特性的影响规律。计算结果表明:所建立的CFD数值计算方法适于模拟共轴双桨涵道UAV动态流场;涵道的存在显著削弱涵道螺旋桨的桨尖涡、后缘脱体涡和尾流收缩,具有较弱的桨-涡干扰和涡-涡干扰现象,明显减小共轴双桨涵道UAV的需用功率;随前飞速度增大,共轴双桨涵道UAV的升力和阻力同时增大;随螺旋桨转速增大,共轴双桨涵道UAV升力增大,而阻力减小;随攻角增大,共轴双桨涵道UAV的阻力增大,而升力先增大后减小。      

温度梯度环境中潜艇尾流热特征的试验研究

改进了用于实验室热尾流测量的温度测量系统,提高了系统的集成度和抗干扰能力。在水槽中实验研究了螺旋桨推进潜艇模型在有、无温度分层流体中尾流的热特征,得到两种条件下尾流的温度分布和信号衰减规律,分析了两种尾流信号的形成机理及其影响因素,表明在温度分层环境中＂冷尾流＂信号对探测和识别水下航行的潜艇更为有利,所得结果可为红外反潜和潜艇红外隐身提供更加切合实际的理论支撑。     

圆柱-平板角区湍流流动控制的风洞试验研究

角区流动中马蹄涡系的存在通常会造成不良影响。对圆柱-平板角区流动,在圆柱上游放置一倾斜的小圆棒能够改变角区流动结构。利用油流法和平板表面压力测量方法探讨了湍流流态下不同的小圆棒对平板表面的摩擦力线和压力分布的影响。油流实验揭示了倾斜棒能够改变角区的三维分离,新的分离线由倾斜棒和圆柱共同作用引起;倾斜棒对角区的作用可归类为两种不同的物理现象;倾斜棒能够引起圆柱侧面的分离线向下游发生极大的迁移,导致圆柱底部区域尾迹变窄。平板表面压力测量实验揭示附加的倾斜棒能够极大地改变压力分布情况,角区的逆压梯度相应减小;由此,逆压梯度引起的三维分离必然被削弱。     

叶根倒角对轴流涡轮转子流场的影响

通过对某一亚声速轴流涡轮转子进行数值模拟,研究了涡轮转子根部倒角对涡轮叶栅流场的影响.研究结果表明:叶根倒角改变通道内的涡系结构,使叶栅通道内的流动重新分布,并降低了涡轮效率.当叶片根部存在较小半径的倒角时,倒角使叶片前缘近轮毂处的分离程度加剧,分离涡强度增加,并导致前缘马蹄涡和下通道涡强度和范围都增加,下通道涡增强导致叶片尾缘处通道下方静压降低,而通道上方静压相应升高,通道上半部流道前后压差减小,上通道涡的形成和发展受到抑制,上通道涡强度和分布范围都减小.随着倒角半径的增加,根部前缘分离程度先略有增加,然后减小,导致马蹄涡和下通道涡的强度先增加后减小,上通道涡强度先减小后增加.倒角还会使轮毂附近尾迹的强度和范围都加强,使尾迹损失增加.