风洞侧壁干扰控制与修正方法研究

风洞侧壁干扰是影响风洞实验数据准确度的一个重要因素,洞壁边界层的存在会使二维翼型升力线斜率的测量值下降,在风洞设计和实验中采用多种方法来减小其干扰。简述了减小或消除侧壁干扰的实验原理、实验方法、优缺点及国内外研究进展,重点介绍了侧壁抽吸、侧壁吹除控制与修正方法,最后介绍了判断控制和修正效果的准则。侧壁抽吸与侧壁吹除方法在实际应用中取得了良好的效果,对抑制侧壁边界层效应有一定作用,能够提高实验结果的精确性。     

二元风洞侧壁边界层引发的展向不均匀性

本文分析了二元风洞试验段中的侧壁边界层引起的流动展向不均匀性。在理论上找到了展向速度分布函数，从而为定量处理展向不均匀性提供了依据。最后，结合侧壁抽吸简单谈了展向不均匀性效应的控制问题。     

翼型风洞侧壁干扰的数值模拟研究

运用Navier-Stokes数值模拟对翼型模拟试验对风洞侧壁干扰进行模拟，将简单代数湍流模型扩展用于机翼／风洞侧壁结合区流动，分析了风洞实验侧壁干扰问题的形成机理和影响翼型实验侧壁干扰的各种因素，如翼型展长、风洞侧壁边界层厚度及侧壁边界层抽吸等，对实验结果的影响，得出了一些有用的结论。计算格式空间采用中心有限体积离散，时间采用多步Runge-Kutta时间步长格式进行积分。计算结果证明了该方法的可行性和优越性。     

跨音速翼型风洞模型区侧壁抽气的影响

引言 侧壁干扰是跨音速翼型风洞洞壁干扰的重要方面,减小它的方法主要是抽吸侧壁边界层。抽吸位置的选取有两种,在距模型前缘一定距离的侧壁处和模型区侧壁处。抽吸。适当的侧壁抽气可使模型区流场更接近于理想的二维流场,因此模型区侧壁抽气对空风洞流场的影响和对二维模型中央剖面压力分布的影响是最基本的问题,我们对它们进行了实验研究。     

关于风洞侧壁效应的原理

本文讨论了关于风洞侧壁效应原理的几种不同的理论解释,即尾涡模型,位移效应模型和前缘马蹄涡模型。从实验观察和基本原理两个方面对上述不同解释进行了考察。指出原有理论存在不同程度的缺陷和片面性。在此基础上对侧壁效应原理提出了较为全面的解释。     

壁面摩擦对风洞侧壁干扰的影响

本文研究了摩擦对风洞侧壁干扰的影响。在以Barnwell为代表开展的一系列侧壁干扰研究中,所有工作都未计及摩擦的影响。我们认为,Barnwell等人的这一处理理论上有缺陷。对此,本文用Karman-Pohlhausen方法对侧壁边界层作了分析,指出摩擦对侧壁干扰有不同程度的影响,具体取决于Pohlhausen参数B的大小;B越小,影响越大。Barnwell略去摩擦项的结果只对应于分离边界层情况,而事实上Barnwell处理的是附着边界层。通过这一分析,本文建立了有摩擦影响的侧壁干扰修正的新形式;考虑到多种因素的影响,初步建议参数B按中间值取为B=3～4。最后,就修正参数δ~*的确定作了一定讨论。     

基于N-S方程的翼型实验侧壁边界层控制

使用三维可压、雷诺平均N-S方程数值计算了NACA0012翼型在二元翼型风洞中不同迎角和马赫数状态下的压力分布,改进了划分计算网格的Hilgenstock方法,发展了一种利用N S方程计算结果,来确定翼型实验中为消除侧壁边界层干扰的抽气压力的方法。通过比较利用本文介绍的方法计算的NACA0012翼型实验侧壁抽气压力和相同状态下,在西北工业大学0.3m×0.1m二维跨音速风洞中经油流显示证明为合适的抽气压力,结果表明该方法是可行的。     

大型低速翼型风洞侧壁边界层控制系统研制

介绍了NF-3大型低速翼型风洞多喷嘴级联吹气侧壁边界层控制系统的结构和原理。为验证本系统的功能和性能,采用侧壁吹气方案并使用增量式PID控制算法进行气源压力的控制,对具有增升装置的GAW-1翼型进行了侧壁边界层吹除试验研究。试验结果表明：（1）使用侧壁吹气系统后翼型模型中间截面最大升力系数由2．79增加到2．84,增加幅度1．8％,且模型端面截面的升力系数与中间截面的升力系数基本上相等;（2）利用增量式PID控制算法对气源压力的精确控制较好地完成了风洞侧壁吹气功能,改善了翼型表面流动,减小了侧壁边界层对翼型试验结果的影响。     

一种新型二元风洞侧壁干扰修正方法——当地修正法

针对现行总体型二元风洞侧壁干扰修正方法的不合理性，本文发展了一种新型修正方法——当地修正法，并就有关问题做了讨论。与目前的总体型方法相比，当地修正法致力于对模型当地流动参数的修正，而不是笼统地去调整试验条件。当地修正法有能力处理那些主要的侧壁边界层效应及相关问题，是未来开展侧壁干扰修正的一条有效途径。     

一种新型二元风洞试验侧壁干扰修正方法——当地修正法

针对现行二元风洞试验侧壁干扰修正方法中存在的若干缺陷，本文发展了一种新型修正方法－当地修正法。与目前的总体型方法相比，当地修正法致力于对模型当地流动参数的修正，而不是笼统地去调整来流条件。新方法有能力处理那些主要的侧壁边界层效应及相关问题，是未来开展侧壁干扰修正的一条有效途径。     

基于涡流发生器的翼型风洞试验侧壁干扰控制研究

大厚度翼型风洞试验的侧壁干扰严重,需对侧壁边界层进行控制。本文首次使用被动式涡流发生器（VG）对大厚度翼型 FX77-W-400 的侧壁干扰效应进行控制,提出两种基于 VG 的侧壁干扰控制构型：侧壁 VG和翼面 VG,研究 VG 安装位置对翼型气动性能以及压力场细节的影响;使用本征正交分解（POD）技术对翼型表面压力场结构进行研究。结果表明：本文使用的被动式 VG 可对侧壁干扰进行有效控制;侧壁 VG 和翼面 VG对翼型表面的吸力峰值有影响,在本文研究范围内,升力系数和吸力峰值之间存在显著的线性相关性;本文使用的侧壁干扰控制形式保持了基准翼型表面流动的主要结构。     

跨音速翼型试验侧壁干扰数值模拟研究

采用分区网格技术，数值模拟NACA0012翼型在二维风洞中的侧壁干扰特性。控制方程采用全场三维可压、雷诺平均的Navier—Stokes方程；计算格式采用Jameson中心有限体积、多步Runge—Kutta时间步长格式进行求解；湍流模型采用Baldwin—Lomax模型。通过分析不同迎角、马赫数和展弦比情况下的流动状态，反映了由于侧壁干扰而产生的二维风洞流场的三维性。     

侧壁效应对Rayleigh-Bénard对流影响的数值模拟研究

Rayleigh-Bénard(RB)对流的研究中通常使用侧壁绝热的温度边界条件,然而实际的对流换热设备中侧壁存在导热性且会对系统传热和流动特性产生影响。为探究侧壁导热性对RB对流的影响,本文采用侧壁等温假设,即侧壁温度为上下壁面温度的平均值,使用二维和三维直接数值模拟的方法研究了侧壁恒温的RB对流。流体工质为普朗特数Pr=5.3的水,二维和三维方腔宽高比Γ为1。将侧壁等温的计算结果与经典的侧壁绝热的RB对流结果进行比较,研究表明：侧壁等温时,二维和三维系统中均存在上下壁面Nu不相等的情形,该特性发生在有限的Ra值区间内,且与系统内的流动结构密切相关;侧壁恒温时,系统的传热效率要高于侧壁绝热情况下的传热效率,这是由于侧壁恒温条件下,一部分热量可以直接通过侧壁来传递,从而绕开温度边界层。当采用恒温边界条件时,流场的强度减弱,从而系统的Re要小于侧壁绝热条件下对应的Re。     

二元风洞侧壁抽气孔板的实验研究

新研制的组合孔板造价低廉，夹层更换方便，用其作风洞壁面边界层控制，能消除风洞的侧壁引起的翼面上边界层的分离，可有效地改善翼型绕流的二元性和半模实验条件。     

一种新型二元风沿侧壁干扰修正方法：当地修正法

针对现行总体型二元风洞侧壁干扰修正方法的不合理性。本文发展了一种新修正方法－当地修正法，并就有有关问题做了讨论。     

风洞侧壁干扰对机翼表面霜冰的影响

采用数值模拟的方法研究了不同阻塞度下侧壁干扰对NACA0012翼型表面霜冰生长的影响。通过对流场和水滴撞击特性的研究发现:侧壁干扰会压缩来流空气,致使更多水滴跟随气流向机翼前缘汇集,增大了翼面水滴收集系数,且翼面水滴总收集量与阻塞度成正比、与液滴雷诺数成反比;同时会改变水滴的撞击方向,使水滴撞击极限和最大水收集系数的位置发生偏移。采用多步法对结冰特性的研究发现:在基准计算工况下,当阻塞度为20%时,侧壁干扰效应带来结冰量的相对附加增量约为16%;在同一阻塞度下,各时间步长内的结冰相对附加增量基本相等。提出了一种表征侧壁干扰对水滴收集影响强弱的因子,该影响因子与水滴收集相对附加增量具有较高的线性关系。      

有侧壁干扰的机翼半模型风洞实验的N-S方程数值模拟

应用三维可压、雷诺平均Navier-Stokes方程数值模拟了机翼半模实验风洞侧壁干扰和三维机翼半模与安装侧壁结合部流场。计算采用中心有限体积多步Runge-Kutta时间步长格式,将Baldwin-Lomax两层代数紊流模型扩展应用于三维拐角区流动。用本文方法计算了3个算例 ,并与国外的有关实验数据进行比较,计算和实验吻合良好。     

射流冲击对内冷通道侧壁面换热特性影响研究

建立了前缘梯形内冷通道的放大模型,结合斜射流冲击冷却进行试验测量,研究通道内壁面的换热特性,并结合流场测量结果进行换热分析,更好地理解此类受限通道内冲击冷却的强化换热机理,为更高效的内冷通道设计提供参考。使用热电偶对出流侧壁面温度进行了详细测量,研究射流角度、横流和射流雷诺数对其Nu的影响规律。结果表明:出流孔的抽吸作用会强化孔排上方和下方边缘附近壁面的换热;射流入射角度的增加使出流孔上方壁面的Nu峰值对横流强度变化的敏感度提高;横流会削弱侧壁面上Nu峰值,且对出流侧壁面的不同区域换热情况的影响位置不同;射流雷诺数的增加将大幅提高整个出流侧壁面的换热能力,但对其换热特性规律不会产生影响。     

侧壁约束下压缩激波/湍流边界层相互作用低频不稳定性实验研究

侧壁面约束条件下压缩激波/湍流边界层相互作用（Shock-Wave/Turbulent Boundary-Layer Interactions, SWTBLIs）呈现出区别于经典二维SWTBLIs的强三维特性，尤其是低频不稳定性问题自发现以来就受到了广泛关注，而其与下游压缩环境之间的关联性尚不明确。本文基于带侧壁约束的超声速压缩拐角构建三维受限的SWTBLIs流动，并通过自由射流风洞实验进行了系统研究，其中来流Ma∞=2.5、湍流边界层发展厚度对矩形流道宽度的占比约0.08、压缩拐角在12°~24°的宽范围内变化。通过不同压缩拐角下流场结构演化及壁面压力脉动信号谱特性的对比，揭示了侧壁面约束条件下压缩拐角对低频大尺度振荡时间-空间演化行为的影响规律和作用机制。研究发现：压缩拐角角度较小时，侧壁面约束导致的“拖尾效应”有助于延缓压缩拐角附近流动分离模式的过渡，并抑制压缩激波的不稳定性；压缩拐角达到20°及以上时，压缩拐角前沿逐渐发展为大尺度流动分离模式，侧壁面约束的角区将首先发展出能量集中的低频脉动，并逐步演化为两种峰值频率分别为约50Hz、200Hz量级的不同大尺度间歇性低频振荡叠加行为，且伴随着压缩激波形态的显著改变；两种低频振荡行为都属于SWTBLIs流场的全局性不稳定振荡，但沿着展向振荡强度差异显著，角区内的振荡强度远远高于中心主流区域。     

跨音速翼型实验侧壁效应机理

 在西德宇航院跨音速风洞（TWB）进行的翼型油流实验结果表明,传统的关于侧壁效应的概念和理论只能适用于亚临界流动。超临界情况下,侧壁效应现象更复杂,影响更严重。实验中观察到的流油谱可分为五类。油流谱的发展规律说明侧壁干扰主要来源于侧壁边界层的位移效应。实侧壁“二元风洞”对跨音速翼型实验不能模拟真实情况。油流照片表明,即使风洞宽度达到翼型弦长的3.4倍,侧壁对中心截面的流动仍会有明显影响,侧壁抽气技术作为克服侧壁效应的手段是很有希望的。