高超声速再入飞行器气动特性的快速预示—局部方法的推广应用

本文将计算高超声速稀薄气流过渡领域中气动特性的局部方法,推广应用到连续介质中弹头型高超声速再入飞行器气动力特性的快速估算。由激波风洞中M_∞=9.9时,一个8°钝锥的气动力测量结果,导出这一实验条件下的领域系数,并以此来估算不同锥角、不同钝度比及不同外形弹头型再入飞行器的气动力和力矩系数,其结果与无粘数值解及实验结果作了比较,在攻角2°～14°范围内吻合得很好。局部方法可用于弹头型高超声速再入飞行器气动特性的快速预示。     

两种有翼飞行器高超声速动态气动特性的对比实验研究

采用模型自由飞技术在脉冲型高超声速风洞中测量了两种类航天飞机外形模型的腐爷阻尼导数，两种模型具有十分接近的外形特征尺寸和投影面积，但机身和机翼的剖面则片此各不相同，实验在名义马赫数M∞＝6.4条件下进行，同一名义实验条件下的重复实验显示一致的运动形态和接近的动导数测量结果。气动参数辨识采用最大似然法，对风沿实验准定常试验时间中模型的平面运动以线性气动参数模型辨识得到它们的俯3仰阻尼导数。结果提产两种外形有差异的模型呈现迥然不同的动态气动特性：带OMS舱的航天飞机仿真模型具有动态稳定性，而简化外形的类航天飞机模型则为动不稳定，虽然对导致这种极大差异的直接物理原因还有待深入研究，但实验揭示了动稳定性对模型外形细节的敏感性。     

一个通用的微型飞行器气动工程估算环境的开发

针对微型飞行器 (MicroAirVe hicle,简称MAV)多学科设计优化的需要 ,本文以MAV工程估算的三层模型描述为基础 ,开发了一个通用的MAV气动工程估算程序 ,它可以对多种布局MAV进行气动参数的计算 ,并且MAV几何外形的描述简单 ,计算方便正确 ,最后对某MAV的气动估算结果与风洞实验曲线进行了比较。     

高超声速锥体表面凸起物分离干扰区气动力/热关联计算方法

针对高超声速锥体表面凸起物周围的分离干扰流动产生的气动力/热提供了关联计算方法,包括凸起物周围分离干扰区压力分布计算方法、分离干扰区几何特征的计算方法、分离干扰区附加气动力计算方法、分离干扰区气动热计算方法.对典型的钝锥加凸起物外形进行了计算,计算分析了由于凸起物周围分离干扰区压力升高引起的附加气动力、凸起物表面及干扰区的气动热,对气动热计算结果与激波风洞实验结果进行了比较,本文关联方法计算结果与实验结果符合较好.     

折叠机翼展开过程气动特性实验研究

针对某型无人机大展弦比折叠机翼展开过程,对其缩比模型在不同迎角、不同机翼掠角状态下的气动特性进行了风洞实验.实验结果表明,布局的气动外形满足巡航设计要求,纵向与横航向稳定性较好,多面组合式机身表面可为全机升力带来有利影响,研究结果可在无人机、巡飞导弹等研究领域得到应用.     

平面形状对MAV气动特性的影响

通过风洞测力实验研究了平面形状(后掠角)对展长/根弦长之比为1.0的机翼的气动特性的影响,实验结果表明,模型后掠角在很大程度上影响小展弦比机翼的气动特性,当模型后掠角Λ≤35°时,能增大模型的最大升力系数和失速迎角,推迟失速;当模型后掠角Λ=56°~64°时,能得到较好的升力曲线,改善机翼的失速特性。此外,实验结果表明模型前缘背风面倒角与迎风面倒角相比,有效地提高了模型的最大升阻比和失速后的升力系数。     

火星进入器高空稀薄气动特性

针对火星稀薄大气环境进入器气动特性问题,以类火星科学实验室外形为例,计算分析火星稀薄大气真实气体效应对气动特性的影响,给出火星高空稀薄环境下的气动特性规律。研究发现,随着飞行高度的增加,稀薄度增加,激波脱体距离、激波厚度增大,激波强度减弱,明显的激波结构逐渐消失,流场等值线更趋于圆弧状分布;真实气体效应使得迎风面压缩及背风面膨胀增强,轴向力、法向力及顶点力矩系数等预测结果与完全气体模型预测结果相比绝对值偏大;随着稀薄度增大,轴向力、法向力及顶点力矩系数等绝对值增大,在同样的迎角下,随稀薄度的增加,纵向压心前移,进入器的静稳定性变差。     

T型尾翼风洞颤振实验保护装置绕流特性分析

采用SST两方程湍流模型,通过求解非定常Navier-Stokes（N-S）方程,对T型尾翼风洞实验流场进行了模拟,分析了保护装置对T型尾翼风洞实验流场的影响,研究了保护装置几何外形和保护装置基座后移距离对流场影响。通过对平尾气动力的分析以及对非定常流场的对比,可以得出：采用NACA系列翼型对基座进行气动整流后,基座两侧局部超声速区显著减小,局部激波减弱甚至消失,流场品质得到改善。且采用NACA0010翼型对基座修形后的结果最理想。随着保护装置基座后移距离的增加,平尾气动力均方根值和波动值先是急剧减小,达到0.85倍平均气动弦长后开始有所增大,在2.45～4.05倍平均气动弦长范围基本不再变化,稳定到单独T型尾翼模型相应系数1倍左右。此结论对T型尾翼风洞颤振实验保护装置设计具有一定的指导意义。     

带控制舵弹体气动特性分析

本文用数值模拟方法研究了带控制舵弹体的气动特性。该问题外形复杂，在控制舵和弹身之间会出现明显的缝隙。为了解决此类外形的气动力计算问题，我们发展了结构网格和非结构网格的混合网格技术。这样一方面充分发挥了贴体结构网格质量好、效率高的优点，另一方面充分发挥了非结构网格几何灵活性好、易于模拟复杂外形的优点。数值计算与风洞实验相当吻合，说明本方法具有良好的精度。最后对两种外形进行大量计算并进行气动特性分析，给出了静稳定特性和配平特性的研究结果。     

开孔建筑屋盖风振响应中的气动阻尼识别

建筑物门窗开启后形成开孔房屋,大跨度柔性屋盖结构在内外压共同作用下表现出显著的流固耦合特性,气动阻尼在开孔前后屋盖结构的振动中将发生改变。本文结合风洞模型试验,联合采用经验模态分解法、随机减量法和希耳伯特变换法对一大跨屋盖风致振动的气动阻尼进行识别。运用这一方法分别识别出大跨柔性屋盖在四周封闭和迎风面开孔两种状态下的气动阻尼。在此基础上对本模型屋盖进行的风振响应计算表明,气动阻尼有效地抑制了屋盖风振,考虑气动阻尼影响的数值计算与试验结果吻合得较好,说明本文采用的联合方法能有效地识别柔性屋盖结构风振响应中的气动阻尼。     

楔—后掠柱激波干扰流场和热流的工程算法

本文针对航天飞机机翼前缘的简化模型,即楔-后掠柱模型,在大后掠、高超声速条件下,提供了一种计算柱体前缘激波干扰流场和热流的工程计算方法。在中国科技大学流体力学实验室的激波风洞中取得了激波干扰的流场显示结果。计算的结果与国内外实验数据的比较表明,这是一种有效的方法。     

烧蚀外形三维粘性流场数值模拟

本文通过求解层流Navier-Stokes方程,数值模拟了三维奶头型烧蚀外形粘性流场。差分格式为Yee和Harten的迎风隐式TVD格式,在空间方向具有二阶精度。计算得到了高质量的激波和合理的流场结构。物面压力分布与实验结果进行比较,符合较好。     

计算流体力学在气动-声学风洞设计中的应用

传统的气动-声学风洞设计一般参考现有风洞设计经验和沿用工程估算方法,风洞各主要部件的设计依据均来自前人大量实验的归纳统计结果.本文使用计算流体力学方法(CFD)对气动-声学模型风洞流场进行模拟,得到最大喷口速度下,流道各部件压力损失系数和关键截面的流场分布.结合模型风洞实验结果,比较了某一速度工况下,实验段轴向静压系数变化和收集口出口的速度分布.CFD结果与模型风洞实验结果的一致性,表明CFD作为一种新方法,能够应用于气动-声学风洞设计中.     

三级压缩楔前缘半径对壁面静压及热流分布影响研究

为了研究三级压缩楔前缘半径对壁面静压和热流分布的影响,在0.6m激波风洞上开展了试验测量,模型长约0.6m前缘半径为0mm3mm试验名义马赫数为5.98。研究结果表明,试验得到的壁面静压和热流数据重复性很好。采用Fluent软件进行了二维和三维流场参数辅助模拟分析,三种不同湍流模型获得的壁面静压分布差别不大,均与试验结果吻合较好;不同湍流模型获得的壁面热流分布差异较大,采用标准k-ε模型得到的结果与试验吻合较好。试验和数值模拟结果均表明,在第二和第三压缩面上,经过激波后,壁面静压逐渐上升到一个压强平台;壁面热流逐渐上升到一个局部极大值,然后在同一压缩面持续下降。随前缘半径增加,壁面静压和壁面热流整体减小,压强平台值和热流局部极大值也减小,而达到压强平台和热流局部极大值需要的长度增加,显示激波边界层干扰影响区域增大。     

等离子体气动激励控制激波的实验研究

在机械式和气动式激波控制方法的基础上,提出了激波控制的等离子体气动激励方法。采用电弧放电等离子体气动激励方式,设计了电弧放电等离子体气动激励器,在小型暂冲式超声速风洞中开展了等离子体气动激励控制尖劈斜激波的实验研究。结果表明,等离子体气动激励能够有效控制激波。实验研究了磁场对激波控制效果的影响,结果表明施加磁场使得激波控制效果显著增强。从热效应机理角度出发,建立了等离子体气动激励控制激波的热阻塞模型,采用该理论模型预测的激波变化规律与实验结果一致,从而验证了热阻塞模型的合理性。由于等离子体气动激励方法具有响应迅速、控制灵活等优点,因此将成为激波控制领域一条新的有价值的技术途径。     

十字伞伞群的多节点静力学模型动力特性计算

为计算某型救灾专用空投系统十字伞伞群的气动特性,建立了多节点静力学模型来计算伞衣充满时的气动外形;对不同臂长比和伞绳比的十字伞进行数值模拟,并与文献中风洞实验结果对比验证;根据建立的模型得到十字伞伞群的气动外形并进行气动力特性研究.结果表明:计算结果和文献结果一致性较好,建立的多节点静力学模型合理可行;十字伞轴向力随臂长比和伞绳比的增大而增大;随攻角增大轴向力先减小后增大,而法向力则增大.建立的模型可用于伞群的气动外形计算,并为降落伞系统的设计提供参考.      

航天飞机的立尾气动布局

 本文通过对初步设计阶段中航天飞机立尾气动布局原则的讨论和现有航天飞机立尾气动布局型式(包括方案)的分析,明确了航天飞机立尾气动布局可能的三种模式和改进航天飞机横侧向气动特性的主要措施等问题。这些结果对航天飞机气动布局和外形初步设计有直接参考价值。     

轴流压气机特性计算及激波模型研究

为快速准确预估轴流压气机特性和激波损失,基于轴流压气机S2流面流线曲率法,分别采用正激波模型和改进的双激波模型,对某型2级跨声速风扇特性进行数值模拟计算,得到了100%设计转速近设计点与99.76%设计转速近堵塞点的总体性能和气动参数,以及95%、100%和110%设计转速的特性曲线。通过将计算结果与试验数据进行对比,分析研究了各激波损失模型在激波损失预估和风扇/压气机特性计算方面的差异。分析结果表明:在跨声速风扇/压气机近设计点激波损失和特性参数的计算中,正激波模型损失径向分布计算结果接近试验值,总压比和总效率计算值分别较试验值约低1.96%和2.54%,模型能够满足工程需要。而在近堵塞点,改进的双激波模型总损失计算值更接近试验值,总压比计算值和试验值很吻合,总效率计算值比试验值约高7.28%。改进双激波模型的不同转速线效率特性曲线也明显更接近试验值,模型能够较准确地预测远离设计点激波损失和特性参数。     

航天飞机头部无粘绕流的无波动,无自由参数格式的数值计算

本文采用气动中心张涵信教授提出的无波动、无自由参数耗散格式(NND)进行了如下的计算:航天飞机头部段对称剖面内的二维无粘绕流;航天飞机头部段三维无粘绕流;轴对称凹陷外形的三维无粘绕流。在物面坐标系下,用代数方程生成计算网格,利用特征相容关系式处理激波和物面边界。为了比较,还用SCM格式进行了计算。结果表明,本文所采用的NND格式,在捕捉流场内激波时不会出现非物理振荡,其收敛速度和所获得的计算结果都是令人满意的。     

风洞气动热试验外推关联参数初步研究

介绍了Φ0.3m高超声速低密度风洞与Φ2m激波风洞的试验设备、测试仪器、试验模型和气动热推导方法。在马赫数M=10的试验条件下,通过流态划分参数、粘性干扰系数、总焓与壁面焓差、激波前后的密度比、壁面温度等关联参数,对高超声速带翼飞行器迎风中心线热流外推到实际飞行的方法进行了探讨。