一种近空间高超声速飞行器滚转稳定性研究

研究近空间高升阻比构型高超声速飞行器面临的复杂稳定性问题,对其机动飞行安全和操控具有重要意义。为此,通过静、动态风洞试验和数值模拟,开展了类HTV-2飞行器布局典型马赫数和迎角下,滚转方向静稳定性、单自由度和两自由度俯仰/滚转耦合运动动稳定性研究。结果表明：飞行器滚转方向为静稳定;自由振动的滚转单自由度运动为衰减振动曲线,动导数为负值,表现为动稳定;强迫俯仰/自由滚转两自由度耦合运动情况下,由于惯性力矩和非对称滚转力矩共同作用,导致滚转出现振幅周期性变化的极限环运动,甚至失稳发散。     

典型构型空腔模型设计与流动/噪声特性研究

空腔高速流动包含着复杂波系、旋涡、剪切层等空气动力学典型流动特征,空腔研究中的模型设计、来流马赫数和边界层等参数模拟,以及典型空腔流动/噪声计算与试验结果的差异、缘由等问题亟需解决。综合参考国内外空腔模型参数选取和设计方案,在分析前期前缘平板尖劈构型和角度对来流边界层形态和厚度的影响规律的基础上,通过改变空腔前缘平板尖劈构型和角度来解决上述参数模拟不准和引起计算与试验结果差异等问题,提出了一种典型结构平板-空腔标模(C201)的参数选取和设计方案,给定前缘平板尖劈角度为5°,并利用理论分析、数值计算和风洞试验对该模型设计方案进行了考核验证。综合利用表面流谱、空间流场结构和静/动压测量方法等,获得了亚跨超声速条件下(Ma:0.6~2.0)C201空腔流动/噪声的基本试验数据,并深入分析了该模型的流动/噪声特性及来流马赫数、攻角等参数的影响规律,可为数值计算方法的验证、空腔流动/噪声机理分析和控制方法的构建等提供基本验证数据和借鉴依据。     

分布式边界层吸入推进系统的建模与分析

机体后部边界层吸入技术可显著改善飞机的燃油经济性,但目前尚未建立推进系统设计与分析方法。针对类似N3-X飞机的分布式边界层吸入推进系统,采用基于边界层积分方程的数值分析方法,引入功推比参数,详细分析边界层状态和推进系统参数对系统性能的影响,从而为推进系统设计提供理论和数据支撑。通过基准状态与N3-X的对比,验证了计算方法的可靠性。分析表明,当吸入边界层占比为50%左右时推进系统能耗可降低4%,边界层形状因子越小或者动量厚度越大,能耗降低越多;进气道扩张比对功推比的影响不大;随着进气道入口马赫数增大、风扇压比降低、风扇效率增大、风扇损失降低或者喷流速度降低,功推比都会下降。     

2.4 m跨声速风洞壁板参数对核心流均匀性的影响

跨声速风洞试验段壁板参数多,影响规律复杂,获得壁板参数对流场均匀性的影响规律是提高设备调试质量与效率的关键途径。基于2.4 m跨声速风洞多期流场校测试验情况,以马赫数分布标准偏差为指标,汇总分析了大型跨声速风洞试验段壁板结构参数对核心流均匀性的影响规律。结果表明,核心流均匀性对试验段入口处加速区壁板开孔率特别敏感,除保证开孔率分布连续外,还应避免加速区气流的过膨胀效应。在风洞运行范围内,引射缝均发挥降低堵塞干扰的作用。     

湍流参数对风扇宽频噪声预测影响

对于现代先进涡扇发动机,占比越来越大的风扇/压气机宽频噪声成为亟需解决的问题。基于三维风扇声源模型,开展了湍流输入参数对宽频噪声预测影响的研究。结果表明:后传声功率级比前传声功率级普遍高5 dB左右;当湍流参数增大时,也会较大幅度改变前传和后传的声功率级,但对频谱形状影响较小;声功率级随湍流积分尺度增大而减小,随背景湍流速度、中心线湍流速度、湍流宽度增大而增大,其中背景湍流速度对宽频噪声影响最大。发现湍流参数通过作用于上洗速度谱来影响宽频噪声预测结果。      

超声速空腔流激振荡与声学特性研究

基于高速风洞试验研究了超声速时空腔流激振荡与声学特性.试验马赫数为1.5,基于每米的雷诺数为2.26×107,来流边界层厚度为0.024 m,试验空腔长深比分别为15,12和6.结果表明:空腔内形成的剪切层与腔后壁相撞诱发腔内较强烈噪声,噪声从腔后缘向腔前缘传播时受到腔内流动的干扰,故同频率下腔后缘处的声压均高于腔前中部区域的声压.闭式和过渡式空腔长深比较大,剪切层与腔底面相撞在腔内形成的压缩波或激波,干扰了从腔内声波反馈回路、限制了流激振荡的形成,故腔内未出现明显的声压峰值激振频率;开式空腔长深比较小,剪切层直接跨过空腔中部与腔后壁相撞,产生的噪声向腔前缘传播,腔内形成流激振荡,并出现多个声压峰值激振频率.      

基于预估校正和嵌套网格的虚拟飞行数值模拟

 针对导弹虚拟飞行数值模拟问题,发展了空气动力学/飞行力学数值计算方法和软件。控制方程为非定常雷诺时均Navier-Stoker(RANS)方程和刚体六自由度运动方程;流场求解器为有限体积法结构网格求解器,时间推进采用双时间步法,湍流模型为Spalart-Allmaras一方程模型;采用Adams预估校正法实现飞行力学方程与流场控制方程的耦合计算;使用嵌套网格方法模拟多体运动。首先模拟了美国国家航空航天局(NASA)窄条翼导弹模型纵向虚拟飞行,研究耦合方式和时间步长的影响。仿真结果表明,双时间步三阶Adams耦合方法,同等精度下可以显著增大时间步长,缩短仿真时间。最后,采用该方法模拟了导弹自由摇滚特性和纵向虚拟飞行,模拟结果与试验值吻合较好。     

基于深度学习光流法的荧光油膜全局速度测量

针对基于先验的传统光流法存在前提条件苛刻的问题，提出使用基于深度学习的光流法进行荧光油膜全局速度测量。采用数值仿真试验对基于先验的改进HS光流法和基于深度学习的FlowNet2光流法进行对比，结果显示：在不外加干扰时，改进HS光流法和FlowNet2光流法的平均端点误差分别为0.458 7像素/s和0.381 7像素/s；在亮度变化、噪声干扰或不同的演化时间下，FlowNet2光流法的平均端点误差均明显低于改进HS光流法，平均端点误差差值最大可达5.19像素/s；风洞试验进一步证明，FlowNet2光流法能够获得正确、清晰、定量的荧光油膜全局速度场，较改进HS光流法鲁棒性更高，对风洞工程应用具有一定的参考价值。     

风洞风机防喘振模型及其控制策略

以连续式高速风洞中的多级轴流风机为研究对象，分析了其喘振流量条件和风洞多变试验状态下的流量特性，建立了基于风机入口流量和进出口压比的防喘振模型.给出了风机流动相似条件和流量计算方法，测试出了风洞风机通用特性曲线和工作线，基于风机转速区间和工作特性设置了防喘振簇线.基于PLC（programmable logic controller）过程控制和WinCC监控平台，制定了多级冗余防喘振控制策略，并进行了风洞试验验证.结果表明:防喘振模型能准确反映风洞多变试验条件下风机的运行工况和安全裕度；流量与压比重复性测量的标准差分别为0.002和0.001，防喘振控制的重复性精度为0.003；实现了喘振工况的实时判别和自动控制，有效避免了喘振的发生.      

内埋弹舱流动/振动/噪声多场载荷实验

针对内埋武器系统设计面临的多学科交叉问题，通过高速风洞实验，开展内埋弹舱流动/振动/噪声多场载荷实验研究，为内埋弹舱气动/结构一体化设计和作战环境评估提供支撑。基于相似原理，建立内埋弹舱流动/振动/噪声多场载荷实验技术，采用高时间分辨率多场载荷同步测试方法与时频数据处理方法，获取亚、跨、超声速条件下内埋弹舱多场载荷特征，分析多场载荷作用下内埋弹舱流动特性、共振条件和结构响应规律。结果显示，内埋弹舱非定常绕流促进了舱内复杂噪声环境的形成，噪声载荷与结构振动数据呈现强相关性。当舱内噪声模态频率与结构固有频率耦合时，内埋弹舱结构响应明显增强，在噪声载荷主频位置，结构振动谱出现峰值，此时噪声/振动数据相关性最大，且耦合频率范围的噪声谱能量提高显著。