前体涡诱导双极限环摇滚流动特性的实验研究

通过摇滚/PIV/压力同步测量实验,对翼身组合体前体涡诱导的双极限环摇滚过程中流动特性及演化规律进行了系统的研究,并分析了前体涡诱导翼-身组合体双极限环摇滚的流动机理。实验结果表明,前体涡与机翼翼面流动的相互作用使模型在正负滚转相位处分别出现极限环摇滚运动;正负滚转相位过渡是模型运动惯性与气动力共同作用的结果。     

前体涡诱导机翼摇滚的人工转捩技术研究

针对翼身组合体由前体绕流主控的机翼摇滚运动现象,在常规低速风洞中为了模拟其前体流动的过临界Re数绕流流态,研究并提出了一种分布式多转捩丝人工转捩技术。该技术是在模型前体的两侧分别以模型周向角±56.25°为中心周向对称分布多对转捩丝,其间隔为22.5°。转捩丝的轴向位置是从x/D=0.306开始延伸到机翼前缘翼根所在截面。在这样的布局下,当模型摇滚时,前体两侧绕流的转捩有效区内就能始终保持至少各有一根转捩丝。这样,在常规低速风洞中进行模型滚转振荡实验时,利用上述人工转捩技术,只要摇滚的减缩频率足够低,在任一滚转角下就能使得前体的边界层流动转捩到过临界流态。最后,在北航D4常规低速风洞中通过该人工转捩技术,得到了在前体过临界Re数绕流流态下,翼身组合体的机翼摇滚运动形态。     

战斗机机翼摇滚特性研究

为了研究战斗机的机翼徭滚特性，运用风洞试验和数值模拟手段，对一典型三角翼布局开展了研究工作。风洞试验研究探讨了不同攻角和初始角位移因素对机翼摇滚特性的影响；运用非定常建模技术建立了机翼摇滚过程中的滚动力矩系数的表达式并进行了机翼摇滚的数值模拟，预测了发生机翼摇滚的临界攻角和轴承阻尼系数对摇滚特性的影响。最后对机翼摇滚的发展、稳定阶段的能量转换进行了讨论。研究结果表明机翼摇滚的数值模拟与试验结果具有较好的一致性。     

不同部件对机翼摇滚特性影响的风洞试验研究

简要介绍了机翼摇滚低速风洞试验技术研究，对试验装置、试验方法、数据采集等进行了描述。重点讨论了不同部件对机翼摇滚特性影响的风洞试验研究结果，结果表明：机翼摇滚是不依赖于初始滚转角的滚摆现象，出现机翼摇滚现象的超始迎角在滚转阻尼导数反号处；飞机不同布局以及不同部件对机翼摇滚特性有显著影响。     

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。     

三角翼机翼摇滚主动控制多学科耦合数值模拟

细长机身和大后掠机翼气动构型的飞行器大攻角飞行时,由于缺少横向阻尼,易发生以绕体轴滚转振动为主的摇滚运动,飞行安全受到严重威胁。针对三角翼摇滚问题,采用动网格技术,建立了气动、运动和控制多学科耦合的数值模拟方法。通过耦合非定常Navier-Stokes方程、刚体运动方程和经典控制律,采用控制面差动偏转的方式对三角翼摇滚主动控制过程进行了数值模拟,并分析了不同控制状态下三角翼受控滚转的运动特性。在来流马赫数为0.3的条件下,实现了80°后掠三角翼摇滚现象的有效控制。     

精确复现机翼摇滚运动的控制技术

为快速、精确地复现自由摇滚实验得到的机翼摇滚运动，在控制伺服电机的传统PID参数基础上增加了基准速度修正系数Kv，并将其视作PID参数的一部分，在此基础之上给出了一种PID参数的快速估计方法。利用该方法可以快速得到不同试验状态下控制伺服电机复现机翼摇滚运动的PID参数，提高了调试反馈控制量的效率。同时，发现在进行PID参数调节之前对速度时序曲线进行光滑化预处理，能为进一步进行PID调节打下坚实基础，提高电机驱动模型复现机翼摇滚运动的精度。最后，通过风洞试验对给出的方法进行了实验验证。     

小展弦比飞翼标模非定常流动及自由摇滚特性

小展弦比飞翼布局是中国新型战斗机布局的选择之一，其动态特性尤为重要。针对小展弦比飞翼标模在较大攻角下出现的非定常流动与自由摇滚现象，采用延迟脱体涡模拟（DDES）方法以及动力学模态分解（DMD）方法研究了飞翼标模在Ma=0.6下的非定常流动特性、脉动压力特性、自由摇滚特性，分析运动失稳机理，探索失稳运动控制方法。研究表明：飞翼标模大攻角下非定常流动特性主要体现为，头部发展的集中涡、涡破裂、螺旋波流动结构，其中旋涡破裂点以St=0.12～0.23的频率沿涡轴振荡，螺旋波频率在St=1.16～2.33范围内。数值模拟获得的飞翼标模自由摇滚特征与风洞试验吻合较好，摇滚运动出现在俯仰角24.5°～26°，滚转角平衡位置为28°。对摇滚机理的研究发现，背风侧的集中涡流动与迎风侧的分离流动相互“博弈”是摇滚运动发生与维持的物理机制。上扰流板打开30°时，对自由摇滚运动控制效果不明显，外侧副翼向下打开30°时，自由摇滚现象能够得到较好的抑制。     

一种改进型松耦合方法在机翼摇滚计算中的应用

提出了一种简单实用的松耦合机翼摇滚计算方法,该方法采用隐式和显式公式相结合来计算刚体动力学方程并升级网格,使计算结果的收敛性和稳定性随时间步长的增大更好,可以在较大的时间步长下得到合理的计算结果。该方法是在隐式和显式的松耦合方法基础上得到的,通过分析机翼摇滚计算中松耦合方法时间精度低的原因,发现如果基于隐式方法计算角速度和角度,由于计算力矩时网格位置滞后,导致气动力相对于运动滞后,时间步长较大时计算的机翼摇滚振幅偏大;而如果基于显式方法计算角速度和角度,计算力矩时网格位置超前,导致计算的机翼摇滚振幅偏小。通过计算80°后掠三角翼的机翼摇滚,证明了改进型松耦合方法的有效性。     

低比转速泵叶轮流道内部流动的PIV试验

介绍了粒子图像测速仪(PIV)、泵试验装置和试验方案.采用PIV技术,对3种流量下叶轮流道内部3个不同测量平面上的流动进行了试验研究,获得了速度矢量分布.探讨了速度分布沿叶轮周向和轴向的变化规律以及流量对速度分布的影响.结果表明,随着流量的减小,吸力面速度略有减小,压力面速度变化较为明显,当流量达到额定流量的0.6倍时,在压力面附近存在回流现象;在叶轮出口处,流量对相对速度方向没有明显影响;叶轮流道内部速度沿轴向分布均匀,绝对速度沿半径方向呈增加趋势,无量纲绝对速度的周向分量v_u/v从压力面到吸力面呈下降趋势,且随流量的减小而增大.研究结果为叶轮设计以及离心泵内部流动的试验研究提供了借鉴.      

Effects of wing locations on wing rock induced by forebody vortices

Previous studies have shown that asymmetric vortex wakes over slender bodies exhibit a multi-vortex structure with an alternate arrangement along a body axis at high angle of attack. In this investigation, the effects of wing locations along a body axis on wing rock induced by forebody vortices was studied experimentally at a subcritical Reynolds number based on a body diameter. An artificial perturbation was added onto the nose tip to fix the orientations of forebody vortices. Par-ticle image velocimetry was used to identify flow patterns of forebody vortices in static situations, and time histories of wing rock were obtained using a free-to-roll rig. The results show that the wing locations can affect significantly the motion patterns of wing rock owing to the variation of multi-vortex patterns of forebody vortices. As the wing locations make the forebody vortices a two-vortex pattern, the wing body exhibits regularly divergence and fixed-point motion with azimuthal varia-tions of the tip perturbation. If a three-vortex pattern exists over the wing, however, the wing-rock patterns depend on the impact of the highest vortex and newborn vortex. As the three vortices together influence the wing flow, wing-rock patterns exhibit regularly fixed-points and limit-cycled oscillations. With the wing moving backwards, the newborn vortex becomes stronger, and wing-rock patterns become fixed-points, chaotic oscillations, and limit-cycled oscillations. With fur-ther backward movement of wings, the vortices are far away from the upper surface of wings, and the motions exhibit divergence, limit-cycled oscillations and fixed-points. For the rearmost location of the wing, the wing body exhibits stochastic oscillations and fixed-points.     

Variable phase control of wing rock

This paper addresses a variable phase control issue for suppressing wing rock with hysteresis. In free-to-roll tests, as the angle of attack (AOA) is increased, the roll angle versus the rolling moment indicates hysteresis and provides clues about where wing rock motion is being driven and where the motion is being damped. We present the analysis method of wing rock energy to explain the mechanism of wing rock and the formation of hysteresis, and then develop a variable phase control (VPC) scheme to compensate the phase and magnitude distortions. The effectiveness and robustness of the proposed scheme are demonstrated by suppressing wing rock phenomenon at various AOA and any initial conditions.     

翼身组合体摇滚特性高速试验研究

简要介绍了翼身组合体高速风洞自由摇滚实验技术的实验装置、实验方法、数据采集等。开展了翼身组合体大迎角下的摇滚特性研究,给出了典型的结果,研究结果表明随着模型迎角的增加,翼身组合体呈现不同的滚转运动形态,包括静态稳定、准极限环摇滚等。所研究的参数范围内后掠角对摇滚有较大影响,随着模型迎角的增加摇滚振幅呈现抛物线,马赫数的增加对最大摇滚振幅起抑制作用。     

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。     

HLFC后掠翼优化设计的若干问题

使用扩展自由变形参数化方法,基于径向基函数的动网格技术和改进的混合粒子群算法,考虑吸气的e^N转捩预测方法和雷诺平均Navier-Stokes求解器,搭建了针对混合层流流动控制（HLFC）后掠翼的优化设计平台,对HLFC后掠翼的气动外形设计、雷诺数影响、吸气分布设计等多个问题进行了研究,对比分析了在这些因素影响下HLFC后掠翼的阻力系数和层流区长度的差别,进而探索了相应的设计准则。研究表明,对于层流区较长和阻力系数较小的HLFC后掠翼来说,它们上表面的压力分布具有共同的特征：头部峰值较低,之后有一个小的逆压,接下来是一段较长的均匀稳定的顺压,这段顺压最后终结于一道激波。应用HLFC技术后,通过实现大面积的层流区,机翼的摩擦阻力和压差阻力均可显著地降低,降低的幅度远大于不考虑层流控制的设计结果。同时,HLFC机翼的设计应综合考虑摩擦阻力、压差阻力、激波强度和配平阻力（低头力矩）,层流区最长不一定意味着阻力最小。一般来说,雷诺数越高,越难维持层流,但应用混合层流控制技术后,即使在难以实现自然层流的高雷诺数下,HLFC机翼依然有较长的层流区。通过对吸气分布的设计进行研究,说明了非均匀吸气比均匀吸气要更有效率一些,能够节省吸气量。