细长体截面流态拓扑结构演化及其稳定性分析

应用动力系统的稳定性理论,分析了细长体在不同迎角下截面绕流拓扑结构的演化和稳定性.指出旋成体背涡的发展,导致截面流场拓扑结构变化,而由稳定对称旋涡流态变成不稳定对称旋涡流态,进而再在小扰动下变成稳定非对称旋涡流态是导致旋成体非对称背涡出现的基本历程.      

带扰动块的细长旋成体背部绕流数值模拟

为了更好地了解细长旋成体背部绕流非对称涡的形成机理，研究了头部带扰动块对细长旋成体背部绕流结构的影响，通过雷诺平均Navier-Stokes（RANS）法对细长旋成体模型在攻角5°~60°范围内进行仿真。在攻角分别为20°和30°时对是否添加扰动块模型进行对比，分析了不同截面绕流沿轴向位置的发展，提出了验证拓扑结构的一种方法，找到了各流态下奇点的位置，通过涡核位置对模型背部绕流的发展进行了分析。研究表明:添加已知规则扰动块可以加快各绕流结构间的转换速度，使非对称涡产生的攻角减小。      

后掠翼对细长体中段大迎角绕流的影响

采用在细长体顶点处添加扰动块的方式使细长体的绕流具有确定性.研究了在大迎角下,后 掠翼对细长体绕流结构和气动力特性的影响.实验结果表明,在30°迎角时,细长体中段背 风侧的流动和压力分布受到后掠翼与头部背涡的双重控制.在迎角α=40°~60°范围内 , 后掠翼对细长体中段绕流起主控作用,使细长体中段背风侧流动呈现完全分离流状态,使得 中段背风侧的压力分布保持为均值.      

轴对称降落伞小迎角稳定下降时流场特性

根据降落伞的特点,通过伞衣零厚度假设、伞轴对称假设和流场定常假设,建立轴对称降落伞的流体力学计算模型。在0°~5°的小迎角范围内,求解RNG(Renormalization Group)k-ε湍流模型下的N-S方程组,获得与有关单位试验相吻合的数值模拟结果。分析发现0°迎角时轴对称降落伞截面流场中鞍点与鞍点直接连接的状态是不稳定的。随着降落伞迎角增大,奇点类型和奇点间的连接方式将发生改变,降落伞物面附近的涡环里将出现极限环,截面流场中将出现新的鞍点和结点。迎角继续增大,极限环的面积将会减小直至消失,结点将附着在物面上,成为半结点。结果表明小迎角范围内降落伞截面流场的拓扑结构符合拓扑规律。文章揭示了小迎角范围内轴对称降落伞稳定下降时流场特性的演变规律,为进一步研究降落伞流场的流动机理和流固耦合问题打下基础。     

前置隔板对圆柱绕流影响的实验分析

对经典的圆柱绕流模型,运用前置隔板对流场进行控制。利用粒子图像测速(PIV)方法在自循环水槽中研究了雷诺数为1 800时,柔性和刚性2种不同刚度的前置隔板对圆柱绕流的影响。研究发现:柔性隔板自由端的弯曲增加了对流场的额外扰动,并且柔性隔板弯曲变形会诱导产生脱落涡,导致尾迹流场的主频发生变化。在圆柱下游流场,无隔板工况与柔性隔板工况的回流区长度相当,刚性隔板工况的回流区相较之下则更长。结果显示:前置隔板还能在一定程度上减小圆柱绕流的阻力。      

基于CCA与POD的气动光学畸变分析

利用典型相关分析和本征正交分解方法,对计算流体力学得到的导弹红外窗口绕流三维密度场数据进行研究.取三维密度场沿展向两个相邻截面的数据先进行典型相关分析提取出两个截面的相关性最强部分,再利用本征正交分解消除两个截面之间数据的冗余信息,获得了能够包含两个截面密度场主要的信息部分.利用提取出的数据重构流场,并进行气动光学畸变仿真分析,仿真结果能较好地近似原始流场的情况.     

联翼布局俯仰力矩非线性变化特性的数值模拟

联翼布局飞机具有优良的升阻特性,是下一代亚声速飞机优先选择的气动布局型式之一,但在某些情况下其俯仰力矩随迎角的增大会表现出较强的非线性变化特点.针对该问题,在Ma=0.75条件下,采用数值模拟方法对某亚声速联翼布局气动性能及其绕流流场进行研究,通过对各部件气动特性分析,结合不同前翼绕流流动状态下前/后翼绕流场特点及截面气动力分布特点,揭示了前翼对后翼绕流流场干扰是引起其俯仰力矩非线性变化的主要原因.计算结果表明:在一定迎角下,该联翼布局飞机前翼绕流发生分离,从而影响后翼绕流流场,引起后翼气动效率下降,导致全机俯仰力矩随飞机迎角发生非线性上扬,对该机飞行性能的提高带来严重影响.     

边条翼及分离涡研究

本文简要地回顾和叙述了我们在近十余年来,尤其着重于近五年,在边条翼及分离涡方面研究的主要成果。其中包括边条翼气动特性,物面和空间流动显示,奇点、拓扑和分叉在分离涡中的应用,三维分离流和旋涡流,以及带有前缘分离涡的细长翼数值计算,和边条翼气动设计思想与参数选择等。     

开缝圆柱缝隙倾斜角对脱落涡的影响

开缝圆柱绕流作为钝体绕流研究的分支,具备很强的应用前景,但是对其复杂的流动现象的物理本质的理解仍不完善。本文采用流动显示技术和粒子成像测速技术(PIV),探究缝隙对开缝圆柱流场结构的影响,在数据处理方面采用本征正交分解(POD)方法对开缝圆柱流场信息进行了重建。实验研究表明:在一定雷诺数范围内,开缝圆柱缝隙的存在从根本上改变了圆柱绕流近区尾流的结构;开缝圆柱脱落涡的脱落频率对开缝圆柱缝隙倾斜角具有一定的敏感性,随着缝隙倾斜角的增大其斯特劳哈尔数逐渐变大,对比发现开缝圆柱狭缝比(缝隙/直径)为0.15时较0.10的斯特劳哈尔数具有更强的稳定性。     

后掠翼身干扰区流动显示

在水槽中利用激光片光源及荧光素纳染色液显示方法,研究了圆柱、机翼与平板交接区及后掠圆柱、后掠机翼变迎角情况下的干扰流场结构、特性及参数影响规律.实验结果表明,除Re数之外,模型迎角、后掠角等参数对干扰区马蹄涡特性有很大影响.研究发现后掠圆柱及后掠机翼在一定条件下存在一类既不同于马蹄涡也不同于卡门涡的空间稳定发展的三维旋涡系即背涡.背涡在一定的迎角及后掠角条件下发生破裂;机翼背涡随迎角变化具有不同于圆柱背涡的特点.讨论了干扰背涡产生的机制及其与马蹄涡的相互关系.此外还给出了对于干扰流场典型截面的PIV测量结果.     

不同头部形状单孔位微吹气扰动控制实验研究

在亚临界流动范围内,对具有不同头部形状的尖拱形细长旋成体在无侧滑大迎角下进行单孔位微吹气扰动控制实验.通过对物面压力分布、截面侧向力分布和以前细长旋成体结果的对比和分析,发现单孔位微吹气扰动对于细长旋成体横侧向控制作用在于模型头部背风侧非对称二涡结构对扰动的敏感性.实验分析表明,单孔位微吹气扰动这一大迎角非对称控制手段具有较强的适应能力,其控制能力的大小则由该头部形状的初始状态决定.     

绕丁坝流动结构实验研究

利用流动显示和片光源技术,对绕丁坝的流动进行了实验研究,以便了解丁坝参数对流态的影响.实验是在水槽中进行的.发现在丁坝的上游会形成马蹄涡,在丁坝的背风面会形成卡门涡.按雷诺Re数的大小可以把绕丁坝的流态分成4种类型:定常单个马蹄涡、非定常单个马蹄涡、非定常双马蹄涡Ⅰ及非定常双马蹄涡Ⅱ.实验表明丁坝的交角及丁坝的个数对丁坝的流态有重要影响.     

鸭翼/边条对融合体型机身大攻角气动特性影响

通过对融合体型机身进行表面测压和PIV(Particle Image Velocimetry)流动显示实验,研究了大攻角下鸭翼/边条对机身气动特性的影响规律.结果表明:加装鸭翼后攻角小于50°时机头区流动变化不大,超过50°攻角后,机头区法向力显著下降,并且随着攻角增加受影响区域向头部方向扩大;加装鸭翼致使鸭翼区截面法向力大幅增加.加装边条改善了边条区流动,边条涡对机头涡产生有利诱导,增大了边条区法向力.加装边条/鸭翼时,对机头区及鸭翼区流场的影响由鸭翼起主控作用,对边条区流场的影响由边条起主控作用.     

角区三维分离流附着鞍点拓扑结构及其演化

实验研究角区层流边界层三维定常分离附着鞍点拓扑结构的存在性及其演化规律.二维粒子图像测速(PIV,Particle Image Velocimetry)激光片光源设置于给定平板和不同模型组成的角区对称面,采用微距镜头捕捉对称面奇点附近的局部流动拓扑结构.实验证实在一定流动参数条件下多种形状模型与平板形成的角区均存在有别于经典分离的附着鞍点拓扑结构;随着雷诺数增加或者随着模型钝度的变化,附着鞍点拓扑结构与经典分离鞍点拓扑结构之间存在着一定的演化规律;对附着鞍点拓扑结构与Lighthill经典三维分离模式的关系进行了分析,表明Lighthill经典三维分离模式也适用于分析附着鞍点拓扑结构.     

前体非对称涡Re效应初探及其风洞模拟技术

对不同长细比(11和6.15)的细长旋成体模型在低速风洞中完成了亚临界和 临界雷诺数(Re)的测压实验研究.结果表明,只要后体尾部截断至离二涡区足够远,就不会影响由前体二涡主控的多涡系结构,并且头部扰动与非对称涡响应之间的相关关系也保持不变,这为在常规低速风洞中通过增大旋成体直径、减小长细比来扩大Re实验范围提供了实验依据.基于此技术,临界Re下低速实验结果表明细长旋成体在层流和转捩分离区的截面压力分布有明显的区别,导致在临界Re内的侧向力较亚临界显著减小,而且头部扰动对背涡流动的主控作用明显减弱,单孔位微吹气扰动主动控制技术不再适用.      

扰流片分离流动特性的数值研究

在非结构网格下,采用SIMPLE算法结合两层带状边界层模型求解雷诺平均N-S方程.研究了底部间隙对平板扰流片引起的分离再附流动结构的影响.结果表明带底部间隙扰流片的流动结构主要由顶部绕流和底部间隙射流影响.底部间隙的大小决定了射流的强度,最终决定了绕流的结构.随着底部间隙的增大,绕流经历了封闭单涡回流区、射流干扰回流区以及平板绕流3种流动结构.它们之间的分界点分别是用扰流片宽无量纲间隙g/h=0.2,0.4.底部间隙0.2＜g/h＜0.4,底板压力分布基本保持不变,因此不会影响其应用于飞机部件的静态气动特性.