旋翼近地飞行时尾迹及地面涡的N─S方程模拟

用有限体积法、三维Ｎ－Ｓ方程对旋翼近地飞行时的尾迹及地面涡进行了数值模拟。由分布在特定区域内的动量源项模拟旋翼对流场的作用,动量源项的强度由旋翼的几何尺寸、叶片剖面的空气动力特性及当地流场的性质迭代定出。进而,研究了旋翼近地飞行时,在不同前进比及不同离地高度情况下,尾迹与地面的干扰问题及地面涡的现象     

曲面上非定常射流分离对外流变化的响应

 曲面上射流和外流的相互作用是一个十分有趣的流动现象。控制环量翼型是这种流动应用的一个实例。近年来由于控制环量翼型在新型直升机上的有效应用,人们对曲面上射流和外流的相互作用作了许多研究。在此基础上发展了这种翼型的气动力计算方法。但至今这些工作只限于定常流动。翼面上引出射流这一概念在实际应用中往往涉及非定常流动。例如应用于直升机旋翼时,翼型主要工作于非定常流中。     

椭圆形控制环量翼型气动力的计算

本文用边界层理论与计及分离尾迹影响的位流理论相结合的方法计算控制环量翼型的绕流,用离散涡模型模拟分离尾迹的影响。由上、下翼面分离点处引入离散涡。只是翼型附近尾迹中的离散涡可以自由移动。离翼型较远的离散涡假设为按来流速度移动。忽略射流出口上游的边界层对射流的影响。这些简化使本文的方法十分有效。与实验比较表明,本文的方法能较准确地计算出翼型的分离点位置和分离点前的压强分布。计算出的升力系数与射流动量系数的关系与实验相符很好。     

蜂蝇快速起飞过程的实验观测及力学分析

通过实验观测蜂蝇的快速起飞过程,并计算分析其中的力学过程。利用三维高速图像测量技术观测了整个过程中身体及翅膀的运动学参数,并且扫描记录了昆虫的形态学数据。采用所测得数据处理得到起飞过程中的惯性力和力矩,利用计算流体力学(CFD)方法计算翅膀拍动产生的气动力,由力学平衡得到腿部作用力。在快速起飞时经过2次完整拍动其拍动幅角增大到最大值,经过4次完整拍动之后拍动频率变为恒定,并且昆虫完全升入空中。离地之前主要由腿部作用力支撑体重及产生向上的加速度,同时在水平和俯仰转动方向消除气动力产生的不利影响,直到离地时腿部作用力变为零。表明蜂蝇具备通过增加腿部用力来达到快速起飞从而躲避天敌的能力,相比自主起飞缩短了起飞时间,也为人造微小型飞行器(MAV)的不同起飞模式的设计提供了思路。     

动物飞行的空气动力学

昆虫、鸟和兽(蝙蝠)的飞行是由作用于其上的气动力所决定的。了解这些力的产生机制和规律,是研究相关动物的比较生理学、行为学、生态学及进化的基础,也能为发展新型飞行器提供仿生学指导。本文介绍了近二十余年来该领域的主要研究进展,并讨论未来发展趋势和需要开展的工作。文中依次讨论了昆虫、鸟类和蝙蝠拍动飞行的空气动力学机理;最后提出了今后5~10年的工作建议。     

昆虫翅平面形状和展弦比对其气动性能的影响

应用计算流体力学的方法研究昆虫翅膀平面形状和展弦比对其拍动运动时气动力的影响.选取了10种具有代表性的平面形状和展弦比差别较大的昆虫翅膀作为研究对象.这10种昆虫分别是果蝇、大蚊、蜂蝇、食蚜蝇、瓢虫、熊蜂、蜜蜂、草蜻蛉(前翅)、鹰蛾 和蜻蜓 (前翅).研究结果表明:翅膀面积的二阶矩折合半径越大其气动力越大,当使用翅膀面积的二阶矩折合半径处的速度作为参考速度时,翅膀平面形状对无量纲气动力的影响很小.当翅膀展弦比有较大变化(从2.8增大到5.5)时,气动力系数只有很小的变化.流动的三维效应减弱和部分前缘涡(LEV,Leading-Edge Vortices)的脱落,这两种效果相互抵消,导致气动力系数变化不大.      

数值模拟侧向超声速单喷流干扰流场特性

采用数值方法研究了平板上超/高超声速来流与超声速横向喷流相撞引起的复杂干扰流场特性。所建立的单介质冷喷流数值模拟方法,经过了表面多方位压力分布测量结果、纹影显示的激波结构以及表面油流图谱表现的表面分离范围的实验验证。根据数值模拟与实验对比的结果,合理地描述了喷流干扰流场压力分布以及表面、空间结构特性,并分析了压力比对流场结构和特性的影响。     

共轴式双旋翼流动的 N-S 方程模拟

通过数值求解带有动量源项的三维不可压缩N-S方程,模拟了共轴式双旋翼的流动。通过与单旋翼流场的下洗速度分布的比较,探讨了两旋翼间相互干扰的特性,并讨论了双旋翼的旋翼间距、前进比及桨根安装角等参数对流动的影响。     

直升机机身对旋翼的干扰

 本文用简化的自由涡模型研究旋翼近场尾涡系在机身影响下的畸变及其产生的诱导速度交化。在机身影响下,旋翼近场尾涡形状发生畸变,从而改变桨盘处的诱导速度分布。尾涡畸变引起的诱导速度变化比机身直接在桨盘处诱导速度大得多。     

微型旋转翼与拍动翼气动力特性的比较

 用拟压缩性法求解三维非定常不可压N-S方程，研究了旋转翼及拍动翼的气动力和流场。当昆虫正常悬停时，如果翅膀旋转，产生的平均升力以及气动效率并不比拍动时的差，甚至还略好，因此，厘米级微型飞行器可以采用旋转翼，这比拍动模式容易实现。另外，小迎角旋转时升阻比可达3.1（在15°迎角，雷诺数4 000情况下），气动效率较高而且升力系数不小，多个桨叶可以产生很大的升力。因此，在悬停时，多个桨叶小迎角旋转是厘米级微型飞行器的一个很好的方案。