弹性空腔流致噪声/结构振动特性试验

高速空腔中经常存在高强度且多频率分量的流致噪声,空腔噪声与结构振动之间耦合效应严重,甚至可能发生结构共振。为此,在0.6m×0.6m高速风洞中,通过调整空腔底板厚度,改变其结构固有频率,模拟空腔流致噪声/振动相互作用。利用脉动压力和振动加速度测试技术,获取亚跨声速条件下,弹性空腔流致噪声特性及其结构振动响应特性。马赫数变化范围为0.6~1.2。结果表明,当振动强度较弱时,结构振动对空腔噪声影响较小,而空腔噪声对结构振动影响较大,在噪声载荷主频位置,振动谱出现峰值并且噪声/振动相关性达到最强;此外,空腔结构振动还与其固有频率特性密切相关,振动主要以低阶模态为主。     

先进战斗机武器内埋发展趋势与关键气动问题

紧盯未来先进战斗机研制需求和发展趋势，详细分析了武器内埋技术在提高飞机战技指标和综合性能方面的优势，并介绍了国内外在先进战斗机武器内埋技术方面研究的基本情况和遇到的一些具体问题，归纳总结了内埋武器舱空腔复杂流动机理、流声振多场耦合问题研究的现状和关键技术难点；从内埋武器舱系统研制设计要求出发，梳理了先进战斗机内埋武器系统研制面临的关键气动问题和空腔类构型流致振动与噪声问题的主要特征，着重分析了内埋武器舱复杂流动机理、振动与噪声问题、数值仿真方法、风洞测试技术和流固声多场耦合控制技术难点，指出了下一步需要突破的关键技术难点和研究重点，为准确把握先进战斗机内埋武器系统关键气动问题和开展相关问题研究提供借鉴和指导。     

弹舱流动特性数值模拟及风洞试验研究

针对弹舱流动自身的复杂性以及对内埋武器安全分离的影响,本文利用数值模拟和风洞试验相结合的手段分析了三类弹舱流动特性,着重研究了几种典型弹舱的几何参数(L/D、W/D、δc、δh)以及来流马赫数(M)与弹舱流动特性间的耦合影响关系,获得了跨超声速来流条件下弹舱流动特性和压力分布.研究结果表明,弹舱长深比(L/D)是影响弹舱流动类型和流动特性的关键因素,W/D、δc、δh和M对弹舱流动类型和流动特性也有一定的影响;三类弹舱流动类型中开式流动弹舱内压力分布较均匀.     

内埋式弹舱流场特性及武器分离特性改进措施

为改善内埋弹舱的流场特性以及内埋武器分离特性,采用在弹舱前缘悬细金属条的方法对弹舱流场进行流动控制,并在高速风洞中进行了试验研究。通过分析舱底静态压力试验结果以及脉动压力试验结果,研究了武器模型处于不同分离位置时流动控制对弹舱流场特性的影响;通过测量武器模型力和力矩,研究了流动控制对武器分离特性的影响。研究结果表明：武器模型处于不同分离位置时,该流动控制方法对弹舱底部静态压力分布以及总声压级分布的影响是相似的;当弹舱的流场类型为过渡／闭式穴流动时,采用该流动控制措施能有效降低舱内的静态压力梯度,并能有效改善武器的分离特性;当弹舱的流场类型为开式穴流动时,采用该流动控制措施能有效抑制舱内产生的气动噪声。     

内埋武器机弹分离相容性研究进展综述

为满足新型有人或无人作战飞机高隐身、高速和高机动性等要求，作战飞机普遍采用武器内埋挂载方式。当高速气流流过内埋武器舱的空腔时，将引发边界层分离、舱口附近会存在复杂的剪切流动、舱内会产生极为恶劣的噪声环境等非定常流动现象，这些复杂的非定常流动现象严重影响内埋武器机弹分离相容性（ASSC）。首先，给出内埋武器机弹分离相容性的重要研究意义；接着，重点介绍内埋武器机弹分离相容性的研究进展；最后，论述和总结了国内外采用4种方法（理论分析与建模、风洞试验、数值模拟和飞行试验）研究内埋武器机弹分离相容性及其流动控制方法的进展，指出内埋武器机弹分离相容研究存在的主要问题，并给出几点建议。     

内埋武器舱动态流动特性及降噪控制方法研究

流动经过武器舱会产生诸如边界层分离、剪切层失稳、气动噪声等一系列复杂流动特征，进而可能对舱内设备和结构造成破坏。本文以近真实复杂内埋武器舱为研究对象，通过高精度数值仿真获取内埋武器舱动态流动特性；根据流场特性，分析武器舱内噪声产生机理，提出了前缘扰流片、导波管以及前缘吹气三种流动控制方案。通过高速风洞试验，系统分析了舱门开度、内埋武器挂载等因素对武器舱内噪声水平的影响，并且对不同扰流装置的降噪效果进行了测试分析。结果表明：内埋武器舱内流动以小尺度湍流结构为主；前舱在舱门小开度时总声压级较高，随开度增加后舱总声压级增大，舱门开到一定程度后，舱内总声压级分布基本一致。舱内挂载武器减弱流动对各壁面的拍击强度，使得舱内各壁面总声压级降低。三种控制方式均能够抬高剪切层，减弱武器舱内的能量注入，进而对武器舱内总声压级产生一定的降噪效果。在本文研究范围内，前缘扰流片的降噪效果最为显著，降噪幅值达5 dB。     

内埋武器舱关键气动及声学问题研究

以风洞试验为手段,在高速风洞中对内埋武器舱关键气动问题进行了深入研究。利用静态压力测量、脉动压力测量、网格测力等测试手段,获取了典型弹舱流场静压分布特性、气动声学特性以及武器分离特性。研究结果表明：舱内静压分布变化明显,可以此定义弹舱流场类型;开式弹舱流场气动声学环境恶劣,总声压级强度可达170dB 以上,且频谱曲线上存在多个明显的能量尖峰;武器从舱内分离过程中可能产生较大的抬头力矩,影响机/弹安全分离;在弹舱前缘施以流动控制能降低舱内静压梯度、抑制气动噪声,且有利于改善武器分离特性。     

武器分离及舱门开启过程数值模拟研究

基于非结构重叠网格技术,发展了一套能较好模拟空腔流动和武器分离问题的数值计算方法.通过模拟典型空腔流动和WPFS模型分离轨迹,并与试验结果比较,说明本文方法可较好模拟空腔复杂流动和武器分离轨迹.采用发展的数值方法对某内埋弹舱舱门开启过程和内埋武器分离轨迹进行了数值模拟,研究了舱门运动的非定常效应对舱门气动特性的影响.研究表明:一定条件下,舱门运动产生的非定常效应对舱门气动特性影响较大,舱门和舱门控制系统设计时必须考虑；在本文给定条件下,弹舱内的内、外侧导弹均能安全分离.通过研究,为内埋弹舱的舱门设计和内埋武器分离安全评估提供了技术手段和依据.     

噪声环境对弹上电子设备的作用机理研究

建立了弹上电子设备声振耦合理论抽象模型,采用数值实验方法研究了电子设备周围环境的噪声载荷如何从外部传递到内部并对其内部器件的作用机理。分析得出:环境声场的声波入射到电子设备壳体外表面时发生反射与透射,其中反射声压与入射声压合成后同时作用于壳体外表面;合成压力载荷通过两条途径对电子设备器件内部产生影响,一条是激发电子设备壳体结构振动,并通过壳体结构及其与内部结构的机械连接,带动内部结构振动;另外一条是激发电子设备腔内声空间响应,产生二次声压场,再由二次声压场激励壳体内部结构产生振动;透射声压主要集中在低频且量级较小,其作用远比前述两条途径微弱。     

内埋武器投放分离相容性的风洞投放试验预测与评估

采用基于运动动力学相似的风洞投放试验对先进战斗机内埋武器投放分离相容性进行预测与评估，给出载机在不同飞行马赫数、攻角、弹舱长深比及舱内武器剩余数量、不同弹射力、折叠翼是否展开下，内埋导弹从载机弹舱投放分离后的运动轨迹和俯仰姿态角变化规律，研究这些因素对内埋导弹投放分离相容性的影响。结果表明：处于超声速飞行状态下（马赫数为1.5）的载机，攻角处于0°、2°、3°时投放内埋导弹后弹体俯仰角处于低头状态，利于攻击载机前下方敌方目标；在给定的初始分离条件下，对于两种不同的弹舱长深比，内埋导弹均能安全分离，但对内埋导弹俯仰方向运动影响较为显著；弹舱内武器剩余数量对内埋导弹分离特性影响较小，导弹能快速地远离载机干扰流场，投放分离后弹体俯仰角一直处于低头状态；随着内埋导弹初始分离速度增大，可使弹体快速地穿过载机的下洗流场，有利于内埋导弹与载机的安全分离；导弹的不同气动布局对内埋导弹分离相容性有一定的影响。     

内埋武器机弹分离相容性及流动控制试验研究

随着新一代先进有人或无人战斗机对高机动、超远程打击和隐身等性能提出要求，武器内埋式装载已成为必备选择。当内埋武器的质量-惯性载荷比非定常空气动力载荷大时，有效的武器分离通常不是问题；然而，当内埋武器的质量-惯性载荷比非定常空气动力载荷小时，可能导致内埋武器机弹分离过程出现俯仰角过大、急速滚转等不相容现象。本文针对内埋武器机弹分离相容性及流动控制方法开展非定常风洞投放试验探索研究，通过在武器舱前缘布置锯齿和矩形扰流板等被动流动控制装置，采用非定常风洞投放试验方法并结合高速纹影流动显示技术，研究了有无流动装置对内埋武器机弹分离相容性的影响，并提出细长旋成体布局式的内埋武器机弹分离相容性的判据表达式。研究发现，布置在内埋武器舱前缘的锯齿和平顶扰流板能在气流扇形膨胀区域内产生扰流激波，该扰流激波所产生的高压作用在导弹头部能起到减小抬头俯仰力矩的效果，对机弹分离俯仰方向运动产生较大影响，但对导弹垂直位移的影响并不大。前缘锯齿扰流板对机弹分离相容性的控制效果比平顶扰流板要好。     

热声联合作用下金属薄壁结构动态响应分析

未来飞行器在服役过程中会遇到气动热、力、振动、噪声等多种载荷联合作用的严酷环境,其结构设计、分析与试验验证面临巨大的技术挑战.针对受热结构在随机噪声载荷作用下的动态响应问题,采用基于顺序耦合策略的谱分析法分析热声耦合动态响应.通过对典型结构的仿真分析,给出了响应均方根应变和功率谱密度响应等计算结果,并与试验结果从数值和形态上进行了比较.结果表明,结构受热后各阶局部模态频率降低明显,功率谱密度响应曲线峰值对应的频率发生明显的前移,随机噪声载荷引起的响应均方根应变很小,并且仅能激起结构的局部模态,分析与试验结果在趋势与数值上均吻合较好,具有较好的工程实用性.     

超声速内埋武器不同分离方式分析

为给高空高速无人机内埋武器分离方式的选择提供权衡依据,建立了弹舱及弹体模型,采用chimera嵌套网格方法与Menter SST k-ω湍流模式,对舱内重力投放、舱内弹射投放及舱外重力投放三种内埋武器分离方式在高空高速条件下的内埋武器分离过程进行了仿真分析,对比了三种分离方式分离过程的流场特性与弹体运动参数。结果表明,在Ma=3.7,高度为2.5 km的条件下,舱内弹射投放与舱内重力投放能够使内埋武器安全分离,舱外重力投放在高空高速条件下无法完成内埋武器的安全分离,弹体无法快速下落并伴有大幅振荡,威胁无人机的飞行安全。     

分离涡模拟方法在内埋弹舱机弹分离模拟中的应用

为了研究内埋弹舱非定常流场对武器投放分离特性的影响,基于分离涡模拟（DES）方法和非结构重叠网格技术,建立了内埋武器机弹分离高精度数值模拟方法。在此基础上,首先通过典型空腔流动和机弹分离算例验证了数值方法的有效性,然后采用平均雷诺应力模拟（RANS）和DES两种方法探究了机弹分离过程中弹舱腔内涡结构的演化历程,分析了两种方法在机弹分离流场结构模拟中的差异,研究了内埋弹舱流场结构对导弹分离特性的影响。计算结果表明：机弹分离过程中,高强度涡结构逐渐向弹舱腔体后缘聚集,同时弹舱剪切层流动结构被导弹破坏,导弹出弹舱阶段俯仰方向所受气动力矩急剧变化。相比RANS方法,DES方法捕捉到的高强度小尺度涡结构对导弹压力分布影响较大,使得分离后期导弹俯仰角、俯仰角速度产生明显差异,DES方法更适合内埋武器舱分离特性精细化研究。该研究结果可为内埋武器机弹分离研究的计算方法选择和安全分离策略提供一定的参考依据。     

武器舱气动噪声主动流动控制技术风洞试验研究

针对飞机弹舱高强度气动噪声、内埋武器分离安全性等问题,以高速风洞动静态压力测量技术为研究手段,开展了基于脉冲射流激励器（Powered Resonance Tubes,PRTB）的武器舱气动噪声抑制技术试验研究。试验结果表明,试验模型具有典型的开式空腔流动特点,武器舱内部非定常流动引起的声载荷可达到150dB。PIV 试验结果研究表明空腔前缘布置主动脉冲射流激励器对剪切层施加激励,会改变武器舱上部剪切层的流动特性,对这种高强度的声载荷起到一定的抑制作用。     

综合载荷环境下高超声速飞行器结构多场联合强度试验技术

针对当前高超声速飞行器结构综合环境强度验证技术的迫切需求,开展考虑气动力、高温、噪声及机械振动等载荷的多场联合强度试验设计,提出了多系统集成方法,给出了多载荷联合加载解耦方法与控制策略,基于行波管建立了多场联合试验平台,对平台关键环境影响因素进行了分析,给出了具体的解决途径,最后基于该试验平台完成了某舵面构件的气动力/高温/噪声/振动多场联合试验,得到了联合载荷作用下结构应变、加速度及位移等响应的时域与频域变化特征,试验表明,多场联合环境下结构的响应水平较高,结构更容易发生破坏,通过该试验验证了多场联合试验技术的可行性及有效性,可为复杂载荷环境下高超声速飞行器结构的地面强度试验验证提供有力的技术支撑。     

船舶桨轴舵及船体艉部耦合振动噪声数值研究

为研究船舶桨轴舵及船体艉部耦合振动噪声特性,将CFD整体计算得到的非定常力作为激励源,以分布载荷的形式加载于有限元模型上,并结合模态叠加法和声学边界元法建立了桨轴舵及船体艉部耦合振动噪声的数值计算方法。通过分析振动响应计算结果,发现频率较低时耦合系统振动响应受工况影响比频率较高时更加明显;振动响应最大幅值所在频率受结构特性和激励源的共同影响;在桨-轴系统中,桨叶的振动传递损失最大。通过对比不同模型的桨叶振动计算结果,发现桨-轴系统模型的计算值与桨-轴-船系统模型更为接近且不复杂,比单桨模型更为实用。通过分析振动噪声计算结果,发现振动响应频谱和声场分布均可反映结构的固有特性;船体振动贡献的总声压在耦合系统中占90%以上,而桨叶振动仅为1%左右,在预报螺旋桨引起的振动噪声时,需要将船体振动噪声考虑在内。     

动态舱门对空腔复杂流动和噪声特性影响分析

为研究运动舱门对内埋弹舱（空腔）非定常流场和舱内噪声特性的影响，开发了应用于运动问题的动态嵌套重叠网格组装方法，采用改进的脱体涡模拟方法对亚声速流场（Ma=0.6）进行了高精度数值模拟。首先采用空腔标准模型（M219）验证所用的高精度数值格式的有效性，然后应用发展的方法对干净空腔（C201）、带静态舱门（30°、60°、90°和120°）的空腔以及运动舱门的空腔进行模拟，并分析静、动态舱门对空腔湍流流场和腔内气动噪声的影响。针对运动舱门的非稳态非定常流动问题，采用经验模态分解方法分析空腔中的湍流脉动特征和声压级。通过分析研究结果发现，与干净空腔相比，舱门小开度（30°）时，舱门会限制法向和展向的流动，从而降低腔内流场与外部流场的流动掺混和交换，腔内壁面总声压级比干净空腔低5～8 dB，但是两者变化趋势一致，且二阶Rossiter模态频率偏高；在打开角度较大（60°以后）时，舱门对腔内流动的影响主要表现在展向，此时空腔上方的剪切层涡结构运动的高度更高，舱门阻碍噪声的展向传播，使得腔内的总声压级升高（3～10 dB不等），二阶Rossiter模态的强度增大。然而舱门开启过程中，腔内总声压级...     

随机噪声载荷作用下薄壳结构的随机振动实验研究

为研究薄壁壳结构在随机噪声激励下的随机振动响应特征,本文设计了一套针对薄壁壳在内部随机噪声作用下的振动问题进行研究的实验方案,同时对噪声载荷和薄壳振动加速度响应进行测量,并对实验结果进行初步的定性分析,了解噪声载荷在频率域上的分布特征和薄壁壳在内部随机噪声作用下的振动响应特征,获得在噪声激励的频率范围内能激起薄壳该频率范围内所有模态共振等结论,为薄壳结构在内部噪声作用下随机振动响应的计算方法的研究提供依据。      

内埋弹舱舱门气动特性研究

在高速风洞中对内埋弹舱舱门气动特性进行了试验研究,给出了马赫数等于0.6时的静/动态试验结果。静态试验结果表明:舱门表面存在较强的气动噪声,其前缘附近的声压级与舱底最大声压级量值相当;舱门气动载荷随舱门开启角度变化剧烈,δ≈30°时舱门气动载荷最大。动态试验结果表明:舱门开启/关闭过程中的气动载荷随St数变化明显;舱门开启与关闭过程中的气动载荷存在显著差异。