侧风条件下短舱进气道地面涡数值模拟

为了研究起飞状态下进气道地面涡的形成与发展规律,针对缩比的短舱进气道模型进行了3维数值仿真,分析了来流速度和短舱进气道距地面高度对地面涡的影响,得到了地面涡的特点以及对进气道流场品质的影响。研究结果表明:侧风来流速度越低,越容易形成地面涡,随着侧风来流速度的增高,地面涡会消失;短舱进气道距地面高度越低,越容易形成地面涡,地面涡的环量越大;地面涡的形成会增大进气道出口截面的流场畸变程度,短舱进气道距地面高度对畸变的影响很小,畸变主要受侧风来流速度的影响。最后给出了侧风条件下地面涡的分界线方程,可作为是否存在地面涡的判断依据。     

侧风条件下进气道流场及地面吸入涡特征研究

采用数值模拟与试验方法对大涵道比发动机进气道缩比模型在地面侧风工况下的流场特性进行了研究分析，同时考虑了侧风与地面吸入涡对进气道流场的影响，以及侧风对吸入涡强度的影响，在此基础上解释并分析了侧风对进气道流场的双重影响作用。研究结果发现:根据吸入涡在侧风影响下的生成特性，以及吸入涡和侧风因素对进气道流场作用程度的不同，吸入涡从稳定状态到被侧风吹除的过程中存在三个阶段，吹除起始阶段、迅速吹除阶段和吹除完成阶段，并且发动机进气道吸入速度越大，对应这一过程的起始吹除速度和完全吹除速度越大，但相应的速度比基本不变；在吸入涡被完全吹除之前，侧风通过对吸入涡强度的影响对进气道流场产生双重作用，在吹除起始阶段和吹除完成阶段，侧风的影响对进气道流场起主导作用，与无地面工况类似，进气畸变随着侧风速度的增大而增大，在迅速吹除阶段，吸入涡的影响对进气道流场起主导作用，进气畸变随着侧风速度的增大而减小。      

滑跑条件下短舱进气道地面涡数值仿真

针对滑跑条件下短舱进气道地面涡进行了三维数值仿真研究,分析了来流风速、滑跑速度和短舱进气道距地面高度对地面涡的影响,得到了地面涡的变化规律以及对进气道流场品质的影响。研究结果表明:随着滑跑速度的增加,地面涡会向下游移动,当滑跑速度达到一定值时,地面涡消失;短舱进气道距地面高度越低,越容易形成地面涡,随着短舱进气道距地面高度的增加,地面涡向下游移动;在风速一定的情况下,随着滑跑速度的增加,地面涡强度先增加后减弱。文中给出了滑跑条件下地面涡的分界线方程,可作为是否存在地面涡的判断依据。     

尾涡中涡强与轴向速度的相互关系

大型飞机的翼尖涡会对飞入它尾流中的其它飞机造成巨大的危害。文章希望找到尾涡核中的轴向速度超过自由流速度的条件，从而深入了解这种尾涡的特性。在风洞实验中，我们采用的机翼模型的型号是NACA0015，它的半翼展展弦比为0．80。我们利用三传感器热线探针来测量尾涡核中的轴向速度，并将之与测得的涡的环量进行了比较，结果发现，轴向速度与一个无量纲环量参数呈线性关系。当这一环量参数较小时，轴向速度小于自由流速度，而当环量增大时，轴向速度也将逐渐增大，甚至能够超出自由流速度70％。我们还发现，轴向速度的大小对实验中所采用的两种端帽结构——平型和圆型十分敏感。另外，如果利用涡的半径来修正这一环量参数，那么两种端帽结构下的数据将会重合为一条直线。     

民用飞机进气道的侧风畸变研究

结合民用飞机动力装置/机体集成研究的具体需要,采用数值模拟方法对大涵道比涡扇发动机进气道的侧风畸变特性进行研究,给出了进气道在侧风条件下工作的流场特征,分析了导致侧风畸变的流动机理.研究结果表明:进气道的侧风畸变主要受到典型的气流分离与再附以及地面吸入涡等复杂流动现象的影响;当进气道内部气流出现分离时,侧风畸变会随侧风速度的增加而突然加剧;进气道在近地面工作状态,产生的地面吸入涡现象可能会使短舱的侧风容限明显降低.此外,侧风状态的进气畸变特性随着发动机流量的变化,进气道内部气流的分离与再附存在差别,这导致了进气畸变指数呈现迟滞变化.      

某型飞机进气道地面涡畸变流动特性

以配装大涵道比涡扇发动机的某型运输机在未铺装跑道静止开车、滑行等实战使用环境为背景,建立了全尺寸三维仿真计算模型,通过数值仿真,分析研究了风速、风向以及滑跑速度对该型飞机进气道地面涡的流动特性及发动机进口畸变特性的影响。结果表明:该型运输机270°侧风条件下,随着风速的增加,地面涡强度呈现先增加后减小的规律,风速为2~4 m/s时强度最大,风速在6 m/s以上地面涡特性消失;风速为3m/s时,在风向为210°左右地面涡强度达到最大,外物吸入能力最高,其导致的进气道出口周向压力畸变最强。该型运输机滑行状态相对于其静止、逆风环境,地面涡的范围、强度均较小,对进气道出口流场品质也影响较弱。      

侧风下孤立尾桨的气动特性和抗侧风优化

尾桨涡环严重危害了直升机飞行安全，为探讨涡环对桨盘附近诱导速度场的影响和解释桨叶拉力非定常脉动的原因，构建了一套基于非定常雷诺平均Navier-Stokes方程的尾桨涡环数值计算方法，并结合叶素动量理论和圆线涡环模型进行气动分析。同时，为解决当前翼型优化中广泛使用的冻结湍流黏性假设存在的固有缺陷，建立了一套全湍流连续伴随的翼型优化框架，获得的翼型用于尾桨设计以提高尾桨抗侧风能力。结果表明，桨盘附近诱导速度场对侧风入流速度十分敏感，在典型涡环状态下，14.65 m/s侧风导致涡环的涡强增大且不断改变，引发翼剖面的有效攻角随桨盘附近风速动态减小，进而尾桨拉力下降至原有的58.5%并伴有高频脉动。全湍流连续伴随在最优外形的获取上则要领先于冻结湍流黏性假设，最佳翼型获得的尾桨相较于原始尾桨的拉力提高了10.9%，悬停效率提高了3.9%，扩大了尾桨进入涡环的临界侧风速度。     

着陆滑跑状态下的反推力装置重吸入特性数值模拟

对大涵道比涡扇发动机叶栅式反推力装置,利用CFD技术,展示了叶栅式反推力装置开启后的流场流动特征,计算分析了飞机着陆滑跑马赫数和侧风速度对发动机进气道重吸入特性的影响.结果表明:在无侧风影响时,进气道对反推力气流的重吸入现象随着滑跑马赫数的增加而逐渐减弱并消失,重吸入特征参数值随着滑跑马赫数的增加而减小并达到允许值,该临界滑跑马赫数为0.08;在侧风环境中,侧风使得反推力气流在发动机一侧进入发动机进气道,导致风扇进口截面的总温畸变增大,重吸入特征参数值随着侧风速度的增加而增大,侧风的存在使得反推力装置关闭的临界滑跑马赫数从不存在侧风时的0.08提高到0.12.      

微秒脉冲等离子体激励控制侧风条件下短舱流动分离实验研究

典型短舱进气道在侧风飞行条件下会发生流动分离,产生进气畸变,严重影响发动机性能。将等离子体流动控制技术用于短舱进气道侧风畸变控制,改善进气流场品质。采用纹影系统研究微秒脉冲介质阻挡放电(μs-DBD)等离子体激励器的激励特性,结果表明,任一脉冲周期的开始时刻激励流场产生半圆形冲击波,微秒脉冲通过对流场进行快速加热,能够产生冲击扰动效应,促进流动掺混。随后,采用总压探针对短舱进气道气动交界面处的总压损失情况进行测量,探究μs-DBD抑制侧风条件下短舱流动分离的规律。结果表明:μs-DBD激励能有效降低侧风条件下进气道分离流场的出口截面总压损失系数,缩小侧风分离区;流动控制效果随激励频率的增大而增强,当激励频率达到一定阈值后,流动分离得到完全控制;保持短舱进气道轴向与来流之间的夹角不变,在相同激励频率下,来流速度增大,流场分离程度减小,流动分离控制效果增强,分离流场得到完全控制所需的激励频率降低;探究不同激励器布局的控制效果,在相同来流参数和激励器参数下,展向布局激励效果优于流向布局激励。为进一步模拟真实发动机的影响,在短舱后部进行抽吸,短舱流通能力得到提升,流动分离减弱,但μs-DBD激励仍能对侧风流动分离进行有效控制,流动控制效果随激励频率的变化规律与无抽吸情况下相同。     

地面涡对进发匹配的影响

利用自编网格生成程序,对发动机吊舱进行建模和网格划分,在此基础上对地面涡开展模拟研究,总结地面涡的生成规律及其对进发匹配的影响。结果表明,对适航规定的小风速情况,地面涡在不同条件下表现出不同的形式和强度。迎风情况下,地面涡主要以对涡形式存在,且两个涡的旋转方向相反,涡强度非常微弱,在进气道出口不会导致较大的压力和气流角畸变。侧风情况下,能生成强烈的地面涡,并带来严重的压力和速度畸变,在近地面造成涡中心区域约5%的静压差,可吸入更大的异物;在进气道出口的涡区域造成约8%的总压亏损,涡带来的旋转气流也会直接改变气流角,当地气流的周向偏转达-16°~16°。这些畸变都会直接改变当地风扇工作点,需开展研究以削弱其影响。     

空调器室外机轴流风机内部流动的PIV研究

采用粒子图像测速仪PIV,对具有半管道式结构特点的空调器室外机轴流风机内部流场进行了实验研究,并结合实验结果分析了叶片顶部的叶尖涡和叶片出口尾缘涡的流动特性。实验结果显示在轴流风机流道内部叶顶区域存在与叶轮旋转方向相反的叶尖涡结构。叶尖涡产生于叶片前缘叶顶近吸力面侧,在流道内部与主流发生干涉后朝向周向和出口传播并逐渐耗散。叶尖涡涡心轨迹与叶顶弦长方向的夹角为10°,在叶高方向上叶尖涡的径向位置并不固定。与普通管道内部流动不同,叶片顶部与导风罩间的间隙中未捕捉到明显的叶顶泄漏涡现象。叶片出口近尾缘处30％以上叶高明显捕捉到尾缘涡结构,叶片压力面和吸力面侧的径向速度存在明显的方向变化,切向速度在尾迹区增加。     

仿生学翼型尾缘锯齿降噪机理

采用大涡模拟与声类比的方法研究了尾缘锯齿对翼型自噪声的影响。以SD2030翼型为研究对象,设计的尾缘锯齿幅值为10%弦长,周期为4%弦长。模拟了来流速度为31 m/s、0° 攻角下直尾缘翼型与锯齿尾缘翼型的流场,对应的基于弦长的雷诺数约为310 000。详细分析了尾缘锯齿对翼型尾缘湍流流场的影响,并通过FW-H方程计算大涡模拟提取的声源项,得到直尾缘翼型与锯齿尾缘翼型的声场。研究发现,锯齿尾缘可以明显降低翼型中低频范围内的噪声,在4 000 Hz以下,窄带噪声最多可降低约16 dB。但尾缘锯齿对翼型气动性能有着不利影响。进一步研究表明,该状态下翼型噪声主要由层流边界层引起的涡脱落噪声主导,尾缘锯齿可以抑制层流边界层引起的涡脱落现象,降低翼型升力脉动与尾缘附近的表面压力脉动,减弱尾缘处的低频湍流脉动与涡量,并有效降低尾缘附近涡的展向相关性,这些因素的综合作用使得翼型自噪声降低。     

直升机旋翼对尾桨非定常气动载荷的影响

悬停和侧滑状态的直升机主旋翼桨尖涡将穿透尾桨桨尖平面,由此导致尾桨非定常气动载荷发生明显变化。为更准确地模拟由主旋翼/尾桨干扰产生的尾桨非定常气动载荷变化,通过在面元压力项中增加由旋翼桨尖涡诱导的时变项,体现旋翼桨尖涡速度和几何时变对桨叶非定常压力的影响,同时采用涡面镜像法修正涡粒子法的黏性项,确保桨叶附近区域旋翼涡量守恒,建立旋翼尾迹对尾桨叶的非定常气动干扰模型,并耦合面元/黏性涡粒子法,构建直升机主旋翼/尾桨干扰下的尾桨非定常气动载荷分析方法。通过计算AH-1G旋翼桨叶非定常气动载荷特性,并与实验测量值、计算流体力学(CFD)计算结果对比,验证本文非定常气动干扰模型的有效性。随后基于NASA ROBIN(Rotor Body Interaction)模型分析悬停、侧风和60°右侧滑状态主旋翼对尾桨非定常气动载荷的影响,分析表明主旋翼尾迹对尾桨非定常气动载荷影响显著。悬停状态的主旋翼/尾桨干扰导致尾桨拉力平均值下降、非定常气动载荷显著增加;左侧风状态,主旋翼/尾桨干扰削弱尾桨"涡环"程度,显著增加尾桨拉力和非定常气动载荷;60°右侧滑状态,主旋翼/尾桨干扰导致尾桨拉力损失最大,且在低速侧滑状态出现尾桨拉力"迅速恢复"现象,尾桨非定常气动载荷幅值迅速增加。     

多级波瓣引射混合器气动性能数值研究

通过三维CFD计算,研究了在特定混合管长径比和截面比下,单、双级波瓣引射混合器性能随基本结构参数变化的规律和差异.研究结果表明:双级波瓣引射混合器的引射系数随波瓣扩张角和主流速度的增加而增加,双级波瓣引射混合器的第1级引射系数要高于单级波瓣引射混合器,且总引射系数比单级波瓣引射混合器高出100%;主流流速增加,流向涡强度和速度环量相应增大;单级波瓣引射混合器沿程流向涡峰值强度不断减弱,但速度环量先增加后减小;双级波瓣引射混合器沿程流向涡强度和速度环量则同时逐渐减小,且在1级引射中减小速度要快些;由于主流速度增加或扩张角增大造成的主流过早附壁使得热混合效率减小;尽管双级波瓣引射混合器混合管内热混合效率增加放缓,但与单级波瓣引射混合器相比,混合管出口处热混合效率还是有6%的增加.