自动空中加油阶段加油机尾涡流场建模与仿真

针对自动空中加油技术对于加油机尾涡精确建模的需要,通过分析大型加油机机翼尾涡形成机理和运动规律,运用改进的马蹄涡理论方法建立了较精确的考虑尾涡衰减和扩散特性的尾涡空间流场计算模型,之后将此流场模型在受油机质心处线性化,并采用平均化的方法计算得到受油机受到的平均风分量和风梯度值,在分析受油机受扰运动中利用气动等效的方法将尾涡对受油机的影响模型加入到受油机非线性全量方程中.在此基础上利用Matlab/Simulink搭建仿真平台对空中加油阶段受油机扰动运动进行了仿真验证.仿真结果表明,所建立的尾涡模型能够反映受油机受扰后的动态特性,与有人机飞行员的飞行经验相符,该模型还可用于大型飞机起飞飞行安全和近距编队飞行的扰动分析.     

一种战斗机外形涡流场Euler方程数值模拟

 用三步显式格式时间推进求解物理空间曲线网格上有限体积离散的Euler方程,数值模拟一种战斗机外形的涡流场.计算的机翼表面压力分布与实验符合较好,用Euler方程捕获到机翼前缘分离涡(主涡)及翼面上的二次分离涡.Euler方程解中出现的二次涡可能是逆压梯度、尖锐边缘和人工粘性共同作用的结果,它的流谱与实验定性符合.     

来流局部干扰对三角翼气动特性的影响

通过在三角翼上游加入干扰圆柱的风洞实验方法,研究了来流干扰对微小型飞行器MAV(Micro Air Vehicle)气动特性的影响.结果表明,在刚性和弹性三角翼顶点上游加入圆柱干扰时,两者均出现缓失速,刚性翼产生缓失速与干扰圆柱尾流关系密切,弹性翼的缓失速不仅与此有关,还与弹性翼的振动有关.无干扰或在机翼顶点加入干扰时,在攻角为4°~18°内弹性翼的升力系数比刚性翼的要大,但升阻比相对要小.由于弹性翼的振动与机翼绕流结构、气动力之间的耦合,弹性翼顶点与翼尖振动的主频随着攻角增大呈规律性的变化,失速攻角附近翼尖的振动主频是其涡脱落频率.      

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.      

旋翼涡尾流与下洗流场的计算方法

 以重点考察旋翼尖涡的运动为目标来构想一种悬停和前飞旋翼涡尾流的理论计算方法.首先从预定的广义尾流入手,并引入尖涡涡核作用的半经验修正,对旋翼的自由尾流进行计算分析.然后在环量收敛与尾迹收敛的条件下,计算拉力以满足拉力收敛准则.之后,作为本方法的工程应用,文中给出了计算的旋翼沿火箭发射线的下洗速度分布并作了简单分析.从理论上说,文中所发展的方法可以为进一步研究尖涡的生成模式与涡核结构所应用,同样也可以预测旋翼的涡诱导流场.     

蜻蜓翼三维流动结构的演变

为了与蜻蜓前后翼流动干扰的流动结构作比较,首先研究了悬停飞行状态下单个蜻蜓翼周围的三维流动结构,利用一套机电拍动翼运动模拟机构模拟了一个蜻蜓翼的拍动,使用数字体视粒子图像测速技术(DSPIV,Digital Stereo Particle Image Velocimetry)和多切面锁相技术分别测量了两个下拍拍动相位时刻(t=0.25T,0.375T)和两个上拍拍动相位时刻(t=0.75T,0.875T)蜻蜓翼周围的瞬时空间三维流场,运用局部涡识别准则中的λci准则来识别和显示了流场中的三维涡结构,还展示了蜻蜓翼各个展向测量截面中的|ωz|等值线、蜻蜓翼前缘涡的涡核线相对于蜻蜓翼上翼面的空间位置以及前缘涡在各个展向测量截面中的截面环量等.实验结果揭示了蜻蜓翼周围的三维流动结构在蜻蜓翼拍动时的演变历程.     

近距耦合鸭式布局复杂涡系的干扰机理

在不同的迎角范围内,通过求解雷诺平均N-S(Navier-Stokes)方程模拟了雷诺数Re=2.4×10⁵下,鸭翼和机翼前缘后掠角均为50°的近距耦合鸭式布局简化模型的绕流结构,并与该模型的风洞测力和水洞流动显示实验结果进行了比较和验证,分析了鸭翼涡和机翼涡在不同迎角下的演变过程.根据鸭翼的不同作用效果,将迎角范围划分为3个区域,分析了各个迎角范围内的主要作用机制.鸭翼涡与机翼涡的演变和干扰过程虽然极为复杂,但可将其概括为诱导、卷绕和破裂作用.分析结果表明:中大迎角以后鸭翼涡都会对主翼涡产生有利影响,尤其在中大迎角下,卷绕起到了主导作用,鸭翼涡产生的增升效果也最好.     

半刚性尾涡在冲压空气涡轮性能计算中的应用

与Goldstein假设一致的刚性尾涡是螺旋桨升力线(面)计算中的常用模型,适于轻负荷工况,但在较大负荷工况时则有一定的误差.与Theodorsen假设一致的半刚性尾涡将Goldstein尾涡推广至较大负荷工况.对Theodorsen尾涡模型应用于冲压空气涡轮升力线计算进行了探讨,对一个模型冲压空气涡轮作了计算,给出了涡距、诱导速度、环量及叶素风能利用系数,其分布趋势合理,风能利用系数与实验值符合的较好.     

自适应与双目标优化机翼的气动特性比较

在二维翼型自适应的研究基础上,用Powell法优化计算了对前缘后掠角为35°,展弦比为3.9,梢根比为0.17,机翼剖面为NACA65006翼型的梯形翼的前后缘舵面偏转角,从而获得了在亚跨声速时升阻比大而在超声速时阻力系数小的自适应机翼的最优气动外形.采用了并行遗传算法,计算了要求亚跨声速升阻比大同时超声速阻力小的气动双目标优化机翼的外形.讨论了优化机翼相对于原始机翼的气动增益.与二维一样,三维数值算例也证明了自适应机翼可获得明显的气动增益.      

振动扰流片旋涡脱落和时均压力实验研究

本文叙述了低速风洞中静止和振动扰流片振频,振幅与流速等对其后的压力频谱、旋涡脱落、共振与时均压力等的影响。静止时有一个明显自然脱落主频。振动时有两个旋涡脱落频率,有时两者合一。旋涡脱落主频有三种类型:它们分别等于自然脱落主频与振频,以自然脱落主频振动时,上述三种频率相等,产生强共振,此时,其负压值比静止时还大。相位平均压力波动比扰流片振动在相位上有滞后。     

双三角翼大迎角翼面压强分布与涡态相关分析

将双三角翼翼面测压试验结果与空间涡态观察测量结果进行了定性的相关对比分析,分析表明:垂直于双三角翼翼面的典型横截面上展向压强系数Cp分布与空间涡态有明显的对应关系,Cp分布的峰值数目反映了双三角翼的双涡态和单涡态,Cp峰值随α变化反映了涡强随α的变化,Cp峰值所在展向位置反映着涡核的展向位置,Cp峰形的平坦反映了涡的破裂.     

细长三角翼摇滚非定常流动特性

对前缘后掠角为80°的细长三角翼,迎角为30°和40°时不同滚转角下前缘涡的静态特性,及摇滚过程中的动态旋涡特性进行了流态显示和摄影记录。结果表明:在相同滚转角下,静态和动态情况下旋涡特性有相当大的差别;相对于静态而言翼摇滚过程中存在着旋涡特性的滞后效应;摇滚过程中旋涡垂向位置的滞后是明显的,而展向位置的滞后很小;还发现翼摇滚起始角对旋涡特性有较大影响.     

边条/鸭翼对前掠翼和后掠翼气动特性的影响

为分析前掠翼气动布局设计在航空工业中无法得到推广运用的原因,将前掠翼和后掠翼通过加装边条和鸭翼形成简化的边条翼布局、鸭式布局和边条/鸭式布局,从而深入认识前掠翼和后掠翼两种不同布局之间的流动特点以及涡系干扰机理。首先进行算例数值计算,通过对比分析计算结果与试验数据,验证了数值计算方法的可靠性和准确性;然后对不同布局进行数值计算,得到各布局的升力系数曲线;最后通过压力分布云图和流线图对各布局中复杂涡系的干扰机理进行分析。结果表明:基于后掠机翼形成的边条翼布局、鸭式布局和边条/鸭式布局中的涡系之间通过诱导和卷绕作用,涡系相互增强,大幅提高了布局的升力系数并推迟失速迎角,同时加装边条和鸭翼效果更加明显;基于前掠机翼形成的边条翼布局、鸭式布局和边条/鸭式布局中的涡系之间不存在卷绕作用,涡系之间存在碰撞挤压的不利干扰,这使得前掠翼布局在大迎角时的升力系数远远低于相应的后掠翼布局。前掠翼气动布局中的机翼前缘涡在大迎角时无法同鸭翼涡和边条涡相互耦合增强,不能充分地利用非线性升力,这是前掠翼气动布局设计中的一些不足。      

基于流动显示的翼尖涡不稳定频率测量

翼尖涡涡核振荡频率的准确测量是翼尖涡控制技术得以有效实施的重要前提。采用流动显示方法,研究了椭圆机翼翼尖涡在低雷诺数条件下的不稳定特性。分别采用单点谱分析和动力学模态分解技术,从流动显示图像序列中提取了涡核振荡的短波不稳定模态的频率,2种方法得到的频率相对误差最大不超过5%。研究结果表明:涡对的空间运动通常展现出长波与短波模态的耦合,涡核的高频短波振荡耦合在低频长波摆动中,以前者为主要含能模态;短波不稳定性的无量纲振荡频率随雷诺数的增大而增大、随机翼攻角的增大而减小。      

大型客机机翼挂架接合位置定常吹气控制分析

对于采用下单翼布局翼吊发动机形式的大型客机而言,为了保证发动机与地面的安全距离,挂架高度较短,造成前缘缝翼被打断,大迎角下发动机短舱尾迹对其后方机翼上翼面的流动产生不利影响。采用数值模拟方法系统研究了在发动机挂架后方机翼上表面采用主动流动控制技术来提高着陆构型的气动性能。采用机翼+短舱构型研究了吹气参数对吹气效果的影响。结果表明:大迎角下,吹气可以抑制短舱后方机翼上表面的分离流动,使最大升力系数明显提高;吹气缝宽度、吹气质量流率由于会影响吹气总压的变化,对吹气效果的影响显著,对升力系数的影响量在0.05以上;吹气缝与上翼面夹角会影响能量注入的区域,对吹气效果有较大影响;吹气缝位置会影响吹气控制的范围,对吹气效果也有一定影响。分别对无短舱涡流片和有短舱涡流片的全机构型进行了校核研究。采用吹气措施之后,无短舱涡流片构型线性段升力系数增大约0.15,最大升力系数增大0.186,失速迎角增大1°;有短舱涡流片构型线性段升力系数增大约0.13,最大升力系数增大0.16。      

矢量喷流对战斗机绕流和气动特性影响的研究

在双三角翼、椭圆机身的冀身融合体气动布局中配置二元矢量喷管,本文对该布局形式的矢量喷流和主流绕流之间的干扰流场及其对机翼气动特性的影响进行了系统的实验研究。结果表明,矢量喷流对主流及其气动特性的干扰效应可以分为三类:矢量喷流对附流的干扰效应仅限于喷口附近,主要表现为引射或阻塞作用;矢量喷流对前缘涡的干扰效应起稳定旋涡的作用,这样对稳定涡系的干扰影响很弱,但对破裂涡绕流的干扰效应较强,且随喷流矢量角的增大而增强。     

微型飞行器的仿生力学 ——蝴蝶飞行的气动力特性

研究一种蝴蝶(Morpho peleides)前飞时的气动力特性.在运动重叠网格上数值求解Navier-Stokes方程,对蝴蝶前飞时左、右翅膀的拍动运动以及跟随身体一起的俯仰运动进行计算.结果表明:蝴蝶主要用"阻力原理"作拍动飞行,即平衡身体重量的举力和克服身体阻力的推力均主要由翅膀的阻力提供.蝴蝶翅在下拍中产生很大的瞬态阻力(平行于拍动运动的力),对流动结构分析表明,产生此力的机制如下:每次下拍中产生了一个由前缘涡, 翅端涡及起动涡构成的强"涡环",其包含一个沿拍动方向的射流,产生此射流的反作用力即翅膀的阻力.平衡身体重量的举力主要由翅膀下拍中产生的阻力提供.上拍时(由于身体上仰,上拍实际是向后和向上拍动的),翅也产生阻力,但较下拍时小的多.平衡身体阻力的推力主要由翅膀上拍中产生的阻力提供.