细长翼分离涡的布涡计算法

 细长翼在迎角稍大时,前缘卷起螺旋状分离涡,使上表面压力降低,升力增加。涡襟翼技术也是利用前缘涡的这一特性提高升阻比的。为计算有分离涡的机翼特性,须研究分离涡层的卷起和涡层之间相互干扰的计算方法。早期Brown和Michael,Smith等在锥形流假设下,应用细长体理论计算过三角翼的气动特性。Sack和尹协远等放弃锥形流假设,用离散涡代替脱体涡层,但仍用保角转绘法处理横流面内绕翼面流动。这类方法对横截面形状较复杂的细长翼（如带涡襟翼的机翼）,因转绘函数复杂,计算困难。本文为避免转绘带来的困难,采用直接布涡法计算有分离涡的机翼气动特性。     

基于非结构/混合网格的脱体涡模拟算法

为了提高二阶精度有限体积算法的湍流数值模拟能力,在原始Roe格式基础上建立了与脱体涡模拟(DES)方法相匹配的二阶混合耗散自适应格式,根据流场信息自动调节格式耗散,并分别基于Spalart-Allmaras一方程湍流模型和k-ω剪切应力输运(SST)两方程湍流模型,发展了基于非结构/混合网格的DES方法。采用该方法计算了雷诺数为3 900的圆柱绕流和NACA 0021翼型60°大迎角分离流两个典型算例,通过与试验数据以及其他数值结果的对比验证了该方法的可行性。同时开展了不同数值格式、湍流模型的对比分析,研究结果表明:采用混合格式的DES算法能够解析更小尺度的湍流涡结构、计算数据更接近试验值;本文的DES类算法受其基准湍流模型影响较小。     

细长体大攻角绕流的数值模拟

用数值模拟方法研究了细长体大攻角的绕流特性（求解在周向３６０°范围内进行）。数值模拟的出发方程是三维可压流的全Ｎ－Ｓ方程,格式为二阶迎风ＴＶＤ格式。通过数值模拟研究了附近,攻角１９°、３２．５°和５０°状态下,细长体绕流场中的激波、分离流动及表面压力分布等重要特征。     

细长体大迎角无侧滑时涡系不对称的机理研究

本文介绍了细长体大迎角无侧滑时不对称涡系形成机理的初步探索结果。实验研究表明,不对称涡系的形成机理是:脱体涡受物面和位流边界影响,随着迎角增大,其强度和尺寸亦逐渐增加;当背风区宽度已不能容其自由发展时,左右两侧脱体涡便互相推挤,致使较弱的脱体涡被上推,形成了不对称的涡迹。 实验研究还表明不对称性的偶然性和必然性之间的辩证关系。对脱体涡在受到扰动和逆压后的情况亦作了相应的研究。所有实验是在常规低速风洞中进行的,实验雷诺数Re≈1×10~5。     

民机上翘后体绕流流型的实验研究

针对民机上翘后体绕流特性为研究目标，在D－1风洞应用油流显示、它间烟线显示、烟线、激光片光显示和测压等多种实验手段，着重研究在不同迎角下，上翘角对后体分离流型的影响。显示实验结果表明随着模型由负迎角向正迎角改变，后体流型照物面油流图画的表面形式分为上主分离线流型、无主分离线流型和下主分离线流型，对应的空间涡系则称为下涡系、无涡系和上涡系。在相同的迎角下上翘角大的后体分离强于上翘角小的后体。上翘角的存在引起的后体局部迎角改变是上涡系和下涡系产生机理不同的根本原因。     

扰流片对三角翼脱体涡影响的实验研究

在染色法流动显示实验的基础上,进一步深入研究了扰流片在不同标高攻角和来流速度情况下对70°三角翼脱体涡的影响。PIV测试结果表明,在适当位置,扰流片对三角翼的脱体涡的破裂具有一定的延迟作用,在扰流片的诱导涡与三角翼脱体涡方向一致时,脱体涡破裂延迟越靠后。     

细长旋成体大迎角俯仰振荡的数值研究

为研究俯仰振荡对细长旋成体流场与气动特性的影响,利用雷诺平均方法与大涡模拟的混合方法相结合的脱体涡模拟方法对大迎角下细长旋成体俯仰运动进行了数值模拟研究。通过对背风面分离涡的强度和位置、细长体绕流形态、截面压强系数和侧向力系数的观察和分析,发现施加小振幅、特定频率的俯仰振荡对大迎角细长旋成体背风面流场有明显的控制能力,...     

基于数值风洞的鸭翼-前掠翼布局涡干扰特性研究(英文)

基于高性能数值风洞,在低雷诺数下对前掠翼布局中鸭翼涡和主翼涡之间的干扰机理进行了研究,着重研究了前掠翼鸭式布局中鸭翼位置对纵向气动特性影响的机理,发现鸭翼和主翼之间的气动力干扰与相互的耦合作用在全机的升力特性和稳定性方面做出了很大的贡献。随着鸭翼的引入,可以从根本上改善主翼表面的流态,由它产生的自身脱体涡涡系对主翼涡系能够产生有利干扰,可以有效的控制边界层的气流分离。中小迎角时,其气动特性的提高主要取决于鸭翼和主翼的相互位置;而大迎角飞行时,则还与主翼和鸭翼自身产生涡系的强度、位置、破裂早晚以及相互的控制力有关等。并展开速度矢量图、空间流线图以及压力云图对其不同的气动布局和涡系进行了分析.     

细长旋成体大迎角非定常运动数值研究

利用DES方法对处于非对称流态下的细长旋成体进行了俯仰和偏航振荡的数值模拟,观察细长体气动特性尤其是背风面非对称分离涡的变化。计算结果表明在大迎角非对称多涡系情况下,固定频率和振幅的非定常运动可以改变流场结构和气动力,对细长体背风面流态有巨大的影响。俯仰振荡对非对称分离涡有明显的控制作用,抑制流场的非对称性,使分离涡趋于对称;而固定频率的偏航振荡则破坏背风面分离涡的稳定性,激励非对称背涡产生随时间变化的周期性脱落。所进行的非定常运动与细长体流场耦合作用研究在国内外研究尚少。     

羊角涡结构及其特性

旋成体绕流中除了主涡系之外,在分离区发现一类由物面分离螺旋点发展而成的羊角涡结构.这类羊角涡出现频率很高,迎角范围约为25°～75°;它与旋成体背风区主涡系演化密切相关,伴随着非对称中高位涡脱体和低位涡展向跨越对称面而产生,是三维流动的结果.羊角涡结构虽小,涡强虽弱,但它通过主涡来体现它的气动力作用:在较小迎角下,从物面以tornado形状升起时通过涡量传输来改变同侧主涡涡量;在更大迎角时,通过干扰主涡促使主涡破裂.本文给出了物面螺旋点以至羊角涡的典型照片,分析了它的形成过程和形态特征.     

垂直于物面的横截面上流态的拓扑

对于旋成体有迎角绕流，本文研究了垂直于物面的横截面上的流态结果。利用解析方法，给出了物面轮廓线上、迎风和背风对称线上以及全横截面上截面流线方程奇点的分布规律以及奇点沿流动方向的演变规律，从而可定性地确定截面流态的结构。通过求解ＮＳ方程数值模拟了钝锥有迎角高超声速绕流流场，计算获得的垂直于物面的横截面流线的拓扑结果和理论分析完全一致。     

一种双斜切双压缩面进气道地面流态的数值模拟研究

 采用基于 MUSCL插值的 Roe格式三维 N-S方程数值求解程序对地面状态下双斜切双压缩面进气道内外流场进行了数值分析,得到了其流动图谱,分析了其流场特征。计算中考虑了机身和边条翼的影响,计算结果表明 :1在进气道进口段外壁和下壁内交角处出现了较大的贴角分离包,分离导致了进气道出口较大总压畸变的产生。 2进气道横截面二次流动在进口段表现为一反向旋转的对涡,对涡中顺时针的旋涡较强,控制了进气道的外上角,逆时针的较弱,控制了进气道的内下角;在出口截面表现为较强的顺时针旋向的整体旋流。 3由于顺时针旋流的影响,进气道横截面上的总压高压区位置由进口段的内上角顺时针旋转到了出口截面的外上部,而由分离引起的总压低压区则由进口段的外下角顺时针旋转到了出口的内下部。将计算结果与实验结果进行了比较,验证了所采用的数值模拟方法的可靠性。     

旋流模拟器研究

本文介绍了一种旋流模拟器的设计方法。这种方法以计算实验为主,气动实验为辅,因而可以节省大量时间、人力、财力。试用的结果表明这种设计方法可以满足工程应用的要求。      

高压比离心压气机二次流旋涡结构研究

为揭示高压比离心压气机的流动特性,采用数值方法对高压比离心压气机的旋涡结构和流动损失的产生及演变规律进行了研究。根据不同类型旋涡的具体特征,给出了分别适用于受迫涡和自由涡的二次流识别方法,包括截面旋线法和拟定主流的截面流线法。应用给出的二次流识别方法并结合耗散函数,探讨了压气机内旋涡的形成机理以及旋涡与损失的关联性。研究表明:当涡量与截面法矢量夹角的余弦值大于零时,旋线方向与实际气流方向定性一致,否则相反;旋线显示的涡轴方向与截面法矢量夹角大于90°时,识别出的旋涡不存在;刮削涡和泄漏涡既是低能流体的聚集区也是能量的耗散区,是影响离心压气机损失产生及分布的关键因素;诱导轮尾迹会抑制导风轮流道内叶表通道涡的形成。     

前/后掠机翼气动特性对比分析

基于NACA0012对称翼型设计了前掠机翼、后掠机翼和平直机翼,采用CFD方法计算了3种机翼的升力系数、阻力系数和俯仰力矩系数,通过压力云图和流线图分析了3种机翼的气动特性及流动机理。研究结果表明:前掠机翼上表面的流动是由翼尖流向翼根,翼根首先出现分离,而后掠机翼上表面的流动是由翼根流向翼尖,翼尖首先出现分离,平直机翼由于受翼尖涡的下洗影响,翼根首先出现分离;在30°斜掠角下,前掠机翼形成了机翼前缘涡,表现出旋涡流态气动特性。研究结果揭示了不同机翼之间的流动差异,有助于在飞行器设计过程中选择合适的气动布局。     

出口宽高比对双涵道S弯喷管流动特性的影响

为了明晰出口宽高比对基于真实排气混合器构型的S弯喷管流动特性的影响机制,数值模拟了不同出口宽高比下的双S弯喷管内/外流特性。结果表明：出口宽高比对排气混合器附近的流场特征影响较小,但增加出口宽高比导致喷管下游纵向转弯处的涡量减小,而涡的横向运动更加剧烈,由此带来的涡损失及内/外涵掺混损失沿纵向有所减小,沿横向持续增大。随着出口宽高比的增加,纵向两弯处及等直段区域的壁面剪切应力减小,相应的摩擦损失和局部损失降低;而上、下壁面极限流线的扩张-汇聚程度增强使得该区域的摩擦损失增大。宽高比的增加导致喷管出口附近气流的轴向速度逐渐增大,出口下游的尾喷流速度核心区长度逐渐缩短。不同出口宽高比条件下,喷管几何构型与排气混合器相互作用产生的多种流动损失的变化趋势相反,综合起来对S弯喷管的气动性能影响较小。     

锯齿尾缘叶片气动特性和绕流流场的数值研究

以基于NACA 0018翼型的锯齿尾缘仿生叶片为研究对象，采用大涡模拟的方法研究锯齿相对齿宽与相对齿高对锯齿尾缘叶片的气动特性和非定常绕流流场的影响规律和机制.研究表明，尾缘锯齿参数对叶片气动性能的影响是复杂的非线性过程，在一定来流攻角范围内能提高升阻比，但失速提前.如在9.4°~14.8°来流攻角范围内，不同相对齿宽系列叶片的升阻比高于原始叶片，升阻比与锯齿相对齿宽之间没有线性关系.研究还表明，锯齿尾缘能延迟边界层分离，加速尾迹的流动掺混和能量扩散，改变非定常涡结构和涡脱落频率.相对齿高的变化对非定常流动特性的影响更为显著.尾缘锯齿诱导的二次湍流射流和吸力面侧反向涡对改变了原始叶片的绕翼环量，进而影响锯齿尾缘叶片的气动特性和绕流流场特性.      

具有叶顶间隙的涡轮正弯叶栅流场的拓扑与旋涡结构

为进一步揭示在具有间隙的涡轮叶栅中叶片正弯降低泄漏损失的机理,采用微型束状与球头五孔测针详细测量了直叶栅和正弯叶栅间隙内和诸横截面流场听气动参数,并对壁面进行了墨迹显示。根据测量与显示结果,应用拓扑学原理分析了壁面与横截面流动的拓扑结构,推测出叶栅内流场的旋涡结构。分析结果表明,在直叶栅中存在着七条分离线与七大集中涡系,它们分别为上端壁叶顶进口吸力边与压力边马蹄涡,泄漏损失的机理,下端壁进口边马蹄     

分离流和涡运动横截面流态的拓扑

为表片分离流和涡运动的空间特征，实验和计算多给出各横截面上流态。本文给出了横截面流态的拓扑规则，它们是：物体截面轮廓线上半奇点的分布规则；横截面流态奇点数的拓扑规则；Ｐｏｉｎｃａｒｅ指数判定表面纵向分离起始和终结的原则；物面坡度为正时，截面对称线上奇点数目的规则。     

Investigation of Vortex Interaction in Canard-FSW Configurations Based on the Numerical Wind Tunnel Method

The vortex interference mechanism on low Reynolds number between the canard and main wing of the canard-forward sweep wing (Canard-FSW) configurations is simulated numerically by employing the numerical wind tunnel method. The variations of aerodynamic characteristics of Canard-FSW configurations with different positions of the canard are investigated, finding that the aerodynamic interference and mutual coupling effect between the canard and main wing have made great contributions to the lift and stability characteristics of the whole aircraft. Canard can radically improve the surface flow pattern of the main wing. And its own vortex can have a favorable interference on the main wing and can effectively control the airflow boundary layer separation. At small angles of attack, the aerodynamic characteristics are sensitive to the positions of the canard and the main wing, but at high angles of attack, the aerodynamic performances of the configuration are not only related to the shape of the canard (forward or backward), but also with the size of control force as well as the features of the vortices generated above the main wing and the canard. The different configurations and vortices are illustrated using the velocity vector, streamlines and pressure contours.