大迎角细长体侧向力的比例控制

介绍了一种新的大迎角细长旋成体侧向力的比例控制技术。通过在细长旋成体头部施加非定常小扰动,可以对细长旋成体非对称背涡的非对称程度进行比例控制。风洞试验研究结果表明,该控制方法能以很小的能量输入将大小和方向随机变化的侧向力加以精确控制;不仅可以控制侧向力的方向,也可以连续改变侧向力的大小,使其变成有利于飞行控制的气动力和力矩,达到变不利为有利的目的。     

细长圆锥前体非对称涡流场的等离子体控制

应用一对单介质阻挡放电(SDBD)等离子体激励器对顶角为20°的圆锥-圆柱组合体圆锥段分离涡流场进行了主动控制试验研究。试验在3.0m×1.6m低速低湍流度风洞中进行,迎角为45°,基于圆锥段底面直径的雷诺数为5×104。流动控制分为等离子体激励器关闭,左舷或右舷等离子体激励器分别开启,左右舷等离子体激励器占空循环3种模式。试验结果包括7个测量截面上的周向压力分布以及积分得到的截面当地力和力矩以及圆锥段力和力矩。研究结果表明,在圆锥头部尖端处迎风面两侧对称放置一对SDBD等离子体激励器,采用合适的激励器形式,并通过适当的电学参数,可以实现对细长旋成体侧向力和力矩的比例控制。通过对模型及等离子体激励器制作的改进,相对于前人相应的研究结果,本文中侧向力和力矩随占空比变化的线性度得到了改善。     

大迎角分离流场在等离子体控制下的特性研究

设计了一种新型的大迎角主动流动控制方法。采用圆锥-圆柱组合体模拟飞行器前体,在靠近圆锥尖端处镶嵌了一对马蹄形单电极介质阻挡放电（single_Dielectric Barrier Discharge SDBD）等离子体激励器,通过风洞实验研究了等离子体激励器在不同状态下对大迎角模型前体的非对称气动载荷的控制作用。实验结果表明,通过控制等离子体激励器的开闭可以使得圆锥-圆柱组合体在大迎角下出现的侧力改变方向。还对通过调节单侧等离子体激励器的激励电压实现圆锥前体侧力系数在正负极值间连续变化的可能性进行了初步的实验探索。     

大迎角下椭圆截面头部细长体的涡系和压强分布

本文对具有椭圆截面头部和尖拱形头部的细长体在大迎角下进行了涡系流态观察和表面压强分布测量。研究阐明了大迎角侧滑下细长体的头部几何形状与其所生的复杂涡系之间的相互关系,以及与此相应的截面压强分布和轴向侧力分布的变化。通过详细地了解整个流动情况,揭示了具有扁平头部的细长机体能够增大航向静稳定性的机理。     

超音速细长梯形翼背风面流型

给出了前缘后掠６５°、双弧形剖面的细长梯形翼背风面流动显示结果。实验Ｍａｃｈ数为１．１０,１．５３,２．５３,３．０１和４．０１,攻角范围为５°～２５°。应用蒸汽屏、纹影和油流技术拍摄了空间和表面流型照片。蒸汽屏显示表明：在机翼背风面三角形区域的空间流型随法向攻角αＮ（在垂直于前缘的平面内流速与弦线间的夹角）和法向Ｍａｃｈ数ＭａＮ（来流Ｍａｃｈ数在垂直于前缘平面内的分量）变化,并可在αＮ和ＭａＮ为坐标的平面上划分出７种流型存在的区域。侧缘区有侧缘分离涡形成;后缘有尾涡拖出。从纹影照片与横截面上的蒸汽屏照片对照可获得机翼锥面激波位置随Ｍａｃｈ数的变化;以及激波－诱导分离线位置随Ｍａｃｈ数和攻角变化曲线。机翼表面油流谱显示出了主再附线、二次分离线、二次再附线和侧缘涡区。显示出的流型与其他有关实验和数值计算结果比较符合得很好     

细长体大攻角非对称流场控制

为了研究细长体大攻角非对称流态的机理以及开发新的控制技术进行了风洞实验.实验中观察到了侧向力的双稳态状态,并且它的正负指向很容易被来流中或者模型头部的微小扰动切换.连续改变滚转角时出现了迟滞回线.模型上游的扰动棒能改变侧向力的方向,当扰动棒移走后仍然可以保持该方向.根据以上观察,在模型头部安装了微型摆振片,该摆振片可以处在不同的周向位置.当摆振片静止时,迟滞回线消失,侧向力的方向不随紊流随机切换.截面侧向力的动态测量结果表明,当摆振片低频摆振时,侧向力可以跟随节奏变动.随着频率的增加,侧向力逐渐减少.当摆振频率进一步增加时,侧向力减少到零.如果摆振时,改变摆振片的平衡位置,则侧向力可以成比例的变化.根据上述实验实施,探讨了非对称现象的机理.     

头部和后体对钝头体侧向力的影响

钝头体大迎角飞行时会出现随机的非对称流动现象,引起不确定的较大侧向力,进而使其偏离运行轨道。通过在钝头体头部施加人工扰动块可以固定其大迎角下的非对称流场结构,得到确定的侧向力,以利于改善钝头体的大迎角飞行特性及机动性。本文讨论了在头部人工扰动块主控流场结构的基础上,模型后体对侧向力影响的存在性问题,在迎角为50°、雷诺数为1.54×105的条件下,利用实验对周向角为90°和270°、子午角为10°的扰动位置的球形扰动主控下的侧向力影响因素进行了研究。发现钝头体大迎角下的非对称流动结构在头部主控的基础上,后体对非对称流动的影响不会消失,且其为影响头部扰动主控作用的重要因素。尽管模型后体的影响不会改变钝头体头部对于流场结构的主控地位,但会影响头部扰动控制的精准程度。所以在通过钝头体头部施加扰动进而得到确定的侧向力的同时,还需要减小模型后体对流场的影响,对其结构和加工质量进行优化,以更好地通过人工扰动主控流场结构。     

民用飞机侧滑角传感器安装位置数值研究

侧滑角传感器的安装位置会影响当地侧滑角测量的准确性,并且其尾迹涡可能会影响到布置在机头两侧其他传感器,因而研究侧滑角传感器的安装定位对民用飞机的操控特性和安全性有着重要意义。采用基于非结构网格的计算流体力学(computational fluid dynamic,简称CFD)数值模拟方法研究了侧滑角传感器安装位置对机头附近当地侧滑角和对当地攻角的影响。计算构型分别为全机干净机身构型和全机干净机身加上安装在机头上两组不同位置分布的侧滑角传感器构型。计算工况为来流马赫数0.85,来流攻角±2°,干净构型的来流侧滑角为0°～20°,传感器构型来流侧滑角0°和10°。对三种构型的流场、机头偏移面处当地侧滑角、当地攻角分布和无量纲涡量分布进行了分析比较,得到侧滑角传感器处当地侧滑角随来流侧滑角的变化规律,以及侧滑角传感器的尾迹影响区域及其对机头两侧当地攻角分布的影响,并给出了侧滑角传感器尾迹影响下机头两侧攻角传感器的合理布置区域。     

粗糙带对细长体大迎角流动非对称性的影响

通过模型表面压力分布测量和表面油流图谱显示等试验手段,在低湍流度风洞中探讨了模型头部不同形式的粗糙带对细长体大迎角条件下流动非对称性的影响.结果表明:"条型"粗糙带可以有效改善流动非对称性、降低当地侧向力;"环型"粗糙带可以改善模型表面的分离状态,但是却增强了流动非对称性;"条型 环型"粗糙带对于表面流谱的影响较为复杂.但是这些形式的粗糙带都不能完全消除流动非对称性所产生的侧向力.试验结果还展示出了大迎角状态下,流动非对称性的存在形式与表现特征.     

具有机翼和立尾的尖头机身的不对称背涡及其气动特性

 在低速大迎角无侧滑情况下,翼身组合体(BW),翼身、立尾组合体(BWV)的侧力系数随迎角的变化规律与对应的单独机身的相应特性基本相仿。在有侧滑(|β|≤8°)的情况下,翼身组合体的侧力系数和偏航力矩系数随迎角的变化规律与无侧滑的情况也基本相仿。三种边条对抑制机身的不对称背涡在各种情况下均有显著效果。     

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.      

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。     

尖侧缘机身布局的俯仰力矩特性及扰流板控制

针对尖侧缘机身布局在大迎角下存在的正俯仰力矩（抬头力矩）问题，通过风洞试验，首先研究了俯仰力矩的迎角分区特性及流动演化规律：线性增长区（迎角为0°~15°），俯仰力矩线性增加，全机从附着流到形成进气道前缘涡和机翼涡；非线性增长区（迎角为17.5°~32.5°），俯仰力矩非线性增加，机头涡出现，机头涡和进气道前缘涡逐渐增强，机翼涡增强后破裂；衰减区（迎角为35°~65°），俯仰力矩逐渐减小，机头涡增强后破裂，进气道前缘涡破裂发展，机翼涡完全破裂。其次，发现了机身前体是产生正俯仰力矩的主要来源，机头涡是导致大迎角下正俯仰力矩的主控流动。当迎角为40°时，前体各截面正俯仰力矩在进气道前缘处达到最大，主要是由于该处机头涡诱导产生了较强的法向力。最后，提出了大迎角机身扰流板控制技术，产生了较好的控制效果。当迎角为40°时，扰流板可使正俯仰力矩减少62%，其原因是扰流板降低了机头涡涡量及其诱导产生的法向力，减少了机身前体对正俯仰力矩的贡献。该控制技术的缺点是扰流板会带来一些升力损失和附加阻力。基于尖侧缘机身参考宽度的雷诺数为2.59×10⁵。     

合成射流大攻角非对称涡控制的试验研究

利用合成射流对细长旋成体大攻角非对称涡控制进行了研究,基于合成射流激励器设计了一频率高达1kHz的非定常小扰动控制机构,并将其成功应用于大攻角非对称涡主动流动控制。应用天平测力和七孔探针流场测试技术,研究了合成射流非定常小扰动电压和频率对非对称涡的控制特性和规律。结果表明,采用合成射流能够完全消除背涡的非对称性,扰动频率是影响非对称涡控制的一个关键参数,高频扰动下模型背风区非对称涡结构趋于无控制流态。且文中结果发现,当攻角α=57.5°、非定常小扰动频率fs=150Hz时,即可将非对称涡完全控制成为对称涡。     

大迎角细长旋成体绕流结构演变过程实验研究

 通过烟流显示和测压实验, 系统地观察和分析了尖拱头细长旋成体绕流结构随迎角的演变过程。实验发现在不同迎角下, 不仅细长旋成体绕流结构形态不同, 而且不同流态结构的演变过程所含迎角范围较小,几乎在几度迎角内就可完成。     

吸附式风扇叶栅流场数值模拟

针对某型高性能风扇第2级转子叶片,采用NUMECA商业软件数值模拟的方法,分析了在叶片吸力面距前缘50％和75％弦长处采用吸气技术前后叶栅总压系数、气流转折角和静压升等方面的变化情况.结果表明:在相同攻角相同Ma下,叶栅总压损失随吸气量的增加逐渐降低;叶栅气流转折角随吸气量的增加逐渐交大;叶栅静压升随吸气量的增加逐渐提高;在6°攻角下,在不同Ma下进行吸气,叶栅总压损失都有所降低.     

翼型动态失速等离子体流动控制试验

针对动态失速引起的翼型气动性能恶化的问题,利用小型化的激励电源和介质阻挡放电等离子体激励器,借助动态压力测量和外触发式粒子图像测速（PIV）等手段开展了翼型动态失速等离子体流动控制试验研究。结果表明,等离子体气动激励能够有效控制翼型动态失速,改善平均气动力,提高翼型气动效率,减小气动力随迎角变化的迟滞区域。等离子体诱导出前缘附近的贴体翼面涡,促进分离流再附;增加了上翼面0.2~0.4弦长区域的吸力,减小了升力系数功率谱密度（PSD）分布的二、三、四阶能量幅值,在研究工况下实现了平均升力系数增加7.1%、失速迎角推迟1.3°和迟滞区域减小4.5%的明显控制效果;4°~9°迎角段,等离子体使得翼型平均阻力系数减小40%。此外,振荡频率增加使翼型绕流的非定常性增强,较高雷诺数下的翼型动态分离涡更加难以被抑制,均需要增加等离子体激励强度才能达到较好的控制效果。     

导弹模型后体横向喷流干扰特性

通过在2m×2m超声速风洞开展横向喷流静态测力和油流显示试验，获取了来流马赫数为1.5~4.0、迎角为-8°~27°、喷流静压比为5~17.6及不同喷口位置等参数对横向喷流干扰的影响规律，结合数值模拟获取了模型表面极限流线和喷口附近干扰流场结构，进而研究了导弹模型强迫运动下的横向喷流干扰特性。结果表明:在模拟参数范围内，位于导弹模型后体的横向喷流均产生有利干扰；来流马赫数越大，干扰放大因子随迎角变化越剧烈，静压比升高导致干扰放大因子减小，“单独向上喷流”干扰程度大于“单独向下喷流”；强迫运动条件下基本气动特性和干扰均出现动态迟滞，干扰放大因子尤其在大迎角和下俯过程中明显偏离固定迎角值，表明模型运动对横向喷流干扰特性影响较大。      

前体涡诱导机翼摇滚扰动控制高速风洞试验研究

通过在临界雷诺数范围内的翼身组合体自由摇滚试验,开展了前体涡扰动对机翼摇滚的流动控制研究。实验结果表明,通过对前体涡的控制可以有效消除翼身组合体摇滚的发生,添加头尖扰动的位置对控制效果具有明显影响,扰动在正侧向控制效果最佳,这种摇滚控制方式在较宽的迎角范围及马赫数范围内均有效。对前体涡诱导机翼摇滚的扰动控制机理做了简要分析。     

双下侧布局带泄流腔二元进气道试验

针对一种双下侧布局带泄流腔的二元进气道进行了试验研究.试验时,来流速度范围Ma=2.0～3.5,姿态角范围为α=-4°～10°,β=0°～4°.试验获得了进气道的反压特性曲线、速度特性曲线、迎角特性曲线和侧滑角特性曲线.分析表明,随着来流速度和迎角的增加,进气道的流量系数先增加,在设计点达到最大,之后由于弹身头部激波的影响略有减小.侧滑时两侧进气道气流状态不同,工作范围由性能较低的迎风侧进气道来决定.另外,通过分析进气道的沿程静压分布曲线,说明泄流腔结构能使结尾激波停留在泄流腔边缘,扩大了进气道的工作范围.