高超声速全动翼面全时域耦合分析方法及应用

在流场-结构温度场同步计算方法的基础上,建立了多物理场全时域耦合分析方法,将方法应用于沿轨道运动的高超声速全动翼面热气动弹性稳定性分析。采用基于有限体积模型的CFD同步计算方法求解高超声速流场和结构温度场,建立映射关系实现结构有限元模型气动载荷加载和温度场赋值。采用移动坐标系和动网格相结合的方式描述变速度飞行和翼面偏转过程。通过坐标系变换将翼面偏转过程和振动过程的网格变形量叠加,考虑翼面振动和偏转的耦合非定常效应。针对沿轨道运动的高超声速飞行器,建立了同步计算方法与全时域耦合分析方法相结合的热气动弹性稳定性分析流程。研究发现,与同步计算方法相比,全时域耦合分析方法能够模拟结构振动对流场和结构温度场的影响,计算得到的监测点热流密度波动幅值占热流峰值的10%左右,而温度变化并不明显,相比于刚体模型,监测点温度只下降了0.3%左右。全时域耦合热气动弹性分析方法得到的颤振临界点在4-5号状态点之间,颤振形式为铰链扭转模态与一阶弯曲模态的耦合颤振,与"冻结"模态的热颤振方法结果一致。     

地面效应中垂直起降状态旋翼的气动特性计算

基于时间步进自由尾迹和地面面元模型,构建了一种新的非定常空气动力学模型,用于计算有地效垂直飞行状态下的旋翼气动性能。为提高瞬态尾迹结构的求解稳定性和计算速度,本文使用了精度阶数更高的显式CB3D格式。计算证实,该格式能有效控制地面干扰所产生的数值误差,得到的尾迹结构也更符合物理实际。同时引入一种适用于非定常状态的"等体积修正"方法,以对计算中容易出现的涡线落入地面下方的非物理现象进行修正。在有地效状态下,将新构建模型的计算结果同试验数据进行了对比,验证了模型的准确性。进而计算了平面与斜面上有地效垂直起降状态下旋翼气动特性的变化特点,分析了其影响因素。     

基于风洞试验的非定常气动力微分方程建模方法

为准确描述大攻角非定常运动中非定常气动力的气动特性,研究了以微分方程为基础的非定常气动建模方法。在某战斗机大振幅偏航、滚转单自由度及偏航-滚转耦合运动风洞试验的基础上,对偏航力矩、滚转力矩建立微分方程模型,分析研究不同频率、同一侧滑角情况下,气动力的迟滞时间;然后对高频运动下的气动力进行拟合,进而建立高频运动下的气动力微分方程模型。研究表明:模型可精确预测不同机动下非定常气动特性;建模方法具有较强的工程可行性。     

翼型尾缘低频大功率合成射流的动态载荷特性研究--B：动态气动载荷特性分析

针对NACA0015翼型,设计了适用于风洞研究的尾缘低频大功率合成射流致动器,对翼型尾缘合成射流作用下的非定常气动特性进行了风洞实验研究。研究表明：尾缘合成射流与横流的相互作用能够有效改变作用在翼型上的气动载荷;单侧喷口喷/吸时,喷冲程气动力系数响应幅值约为吸冲程幅值的3倍;双侧喷口同时工作时,升力和力矩系数的幅值并不是单侧喷口单独工作时喷气幅值的简单叠加,而是处于单侧喷气幅值和喷吸幅值和之间;升力和力矩响应的幅值与喷流动量系数的平方根之间存在近似的线性关系;在动量系数不变时,升力和力矩系数响应的幅值会随减缩频率的增加而减小;给定合成射流器行程,升力和力矩响应幅值与合成射流频率之间近似呈线性关系。     

对转开式转子非定常气动干扰特性分析

采用动态面搭接技术,求解非定常雷诺平均Navier-Stokes方程实现对转开式转子的非定常气动数值模拟.对10片桨叶单个转子和10×10对转开式转子构型分别进行模拟,对比分析前后两个转子间的气动干扰和滑流流动干扰.结果表明:与单个转子相比,对转开式转子前转子的拉力系数和功率系数减小,后转子的拉力系数和功率系数则都增大,并在一个旋转周期内都呈现20次周期性波动.前后转子拉力系数的频谱分析显示振荡发生在桨叶通过频率的偶数倍,且在2倍时后转子拉力的振幅最大.前转子桨尖涡与后转子的周期性干扰,引起后转子桨叶力分布的变化和非定常性.与单个转子相比,前转子后滑流轴向速度偏大,周向速度偏小.后转子对滑流有二次加速及旋涡恢复作用.      

二次空气系统盘腔一维非定常计算方法

通过对盘腔结构的一维算法展开研究,提出适用于具有非标准结构、包含多个进出口的复杂盘腔的一维建模规则,并采用特征线法,实现盘腔结构的一维非定常流动与换热的计算,通过将广义的变截面、有摩擦、考虑对外热交换的盘腔一维可压缩非定常流动与换热的偏微分方程组转换为常微分方程组,进而获得盘腔内部沿流动方向压力、流量、温度等系统参数的特征线数值解,采用商业计算流体软件CFX对其进行验证.结果表明:所提出的盘腔建模与计算规则能够直观且准确地描述盘腔一维非定常流动及换热特征,仿真结果与CFX计算结果最大偏差约为9.4%,可应用于具有非标准结构的多接口复杂盘腔的模拟,可以作为二次空气系统盘腔结构一维非定常计算研究的有效手段.      

弹性飞机跨声速机动载荷计算方法

基于跨声速非定常气动力求解的重叠场源法,开展了弹性飞机跨声速机动载荷计算方法研究,为现代飞机结构强度设计提供更加可靠和精确的临界载荷计算方法。首先通过采用重叠场源法求解关于62%根弦俯仰振荡的LANN机翼在马赫数为0.822的非定常气动力并与实验结果进行对比,验证了重叠场源法对跨声速激波效应预测和非定常气动力计算的能力;其次应用频域气动力有理近似技术拟合场源法计算得到的广义气动力系数矩阵,建立了机动载荷分析的状态空间模型;然后完成了某型民用飞机俯仰机动载荷分析,研究了俯仰机动飞行情况下飞机机体状态量及飞机部件载荷响应规律。计算结果表明：考虑机体弹性变形后,机翼和平尾气动载荷响应最大值分别减小了5.1%和10.6%,升降舵气动载荷响应最大值增大了16.2%,在飞机结构强度设计中必须考虑机体弹性效应对飞机部件载荷的影响。     

方形截面飞行器上仰机动对滚转特性影响的数值模拟

飞行器从中小迎角至大迎角范围内,由于背风区流动分离形态的演化,静态气动特性特别是横侧向气动特性也随迎角显著变化,可能诱发复杂的滚转运动。但飞行器一般是上仰机动时,才从平飞状态快速拉起至大迎角,此机动过程对横侧向气动特性和滚转运动可能产生较大影响。本文发展了刚体动力学方程和Navier-Stokes方程的松耦合求解技术,并通过数值模拟航天飞机脱落碎片的六自由度运动轨迹进行了验证。针对背风区涡流形态及横侧向气动特性复杂的方形截面飞行器,数值模拟研究了其不同迎角下的静态滚转气动特性、自由滚转运动特性,以及上仰机动时不同拉起速率对滚转运动特性的影响。结果表明,对于此飞行器,静态时存在临界迎角约为13°,当迎角小于临界迎角时,滚转方向是静不稳定的,诱发快速滚转运动;当迎角大于临界迎角时,滚转方向是静稳定的,其滚转运动是收敛的。但上仰机动时,滚转运动的形态还与拉起速率相关,即使拉起的终止迎角大于临界迎角,如果拉起速率较慢,也可能出现快速滚转运动。     

基于数值虚拟飞行技术的飞行器动态特性分析

基于结合结构重叠网格、闭环PID控制器、舵偏控制律、刚体六自由度运动和非定常Navier-Stokes方程求解等模块的数值虚拟飞行技术,对“起源号”返回舱、基本带翼导弹外形的多自由度非定常运动、受控特性及控制参数的整定开展了模拟。分析了不同自由度（DOF）下飞行器的运动特性,飞行器受扰动后的稳定性及控制参数的整定。计算结果表明：利用数值虚拟飞行技术可有效地开展复杂流动下飞行物体非线性运动问题的研究,对研究飞行器在非线性流动下的动态特性、受控特性、流动机理研究以及控制律的设计检验具有较高的工程价值和应用前景。     

压气机动静叶干扰的非定常流动特性

采用大涡模拟(large eddy simulation,LES)方法计算动叶尾迹对静叶干扰的流场信息。利用涡量分布揭示动叶尾迹在静叶通道内的演化过程,利用压力梯度识别激波结构及波振源,运用动力学模态分解(dynamic mode decomposition,DMD)方法对静叶通道内流场的时空结构进行模态分解。结果表明:流场中存在3处波振源,分别位于动叶尾缘、静叶前缘和静叶尾缘处;发现静叶通道内流场的频谱具有多峰值现象,模态分解的第1阶流动代表动叶尾迹在通道内随时间迁移,对应频率为动叶通过频率(blade passing frequency,BPF)是通道内旋涡非定常波动的主导频率;第2阶流动是动叶通过频率的2倍频流动,旋涡的空间尺度为1阶模态的1/2,为更小尺度的扰动。