中/低雷诺数翼型后缘纯音噪声物理机制与主/被动控制研究综述

基于国内外研究成果,本文总结了中/低雷诺数下翼型后缘纯音噪声的物理机制与主/被动控制的研究现状,阐述了目前该研究还需回答与解决的部分问题,并对可能的新研究思路与方法进行了展望。在物理机制方面,边界层内声反馈和后缘涡脱落是公认的中/低雷诺数下翼型后缘纯音噪声的2种主要发声机制。前者由T–S不稳定波散射噪声向上游传播、在边界层与翼型后缘之间形成,产生的纯音噪声具有典型“阶梯状”离散频谱特性;后者由翼型尾流整体不稳定性引起,纯音噪声具有单一频率特性。2种发声机制之间如何竞争以及噪声频率如何选择等问题仍未完全解决。在研究方法方面,主要采用线性稳定性分析、风洞实验测量和DNS/LES数值模拟等研究方法。由于现有研究的翼型较为单一,所得结果无法满足翼型低噪声设计的需求。在噪声控制方面,被动控制方法多采用翼型前/后缘锯齿、多孔材料和柔性壁面,主动控制方法多采用表面吹/吸气和等离子体技术;在基于机理分析有效抑制翼型后缘纯音噪声方面,还有较多可改进之处。     

平面埋入式进气道的口面参数选择与试验验证

为了提高飞行器的隐身性能和降低其迎风阻力,采用具有平面腹部的低雷达截面外形机身与埋入式进气道的组合是一种良好的解决方案。但迄今尚未有成熟的平面埋入式进气道设计方法可供借鉴,为此对平面埋入式进气道口面参数进行了组合对比研究,旨在通过口面参数的选择来改善进气道的气动性能。在此基础上,选择一组口面参数设计了一梯形进口的平面埋入式进气道方案,并进行了高速风洞试验验证。研究结果表明:(1)进口侧棱决定了所产生的卷吸涡的强度,而前唇口导流角决定了进口段的横向压力梯度,两者均是驱动主流进入进气道内部的关键因素,为此对进气道总压恢复系数和周向畸变指数均有着重要影响;后唇口型线特征参数对进气道出口总压高低压区的分布起着调节作用,为此可以作为控制周向畸变指数的一种辅助措施。(2)合适的口面参数能明显改善平面埋入式进气道的性能。选取23°导流角、4°侧棱角以及30°后唇口型线特征参数组合进行了方案设计和风洞试验验证,在Ma₀=0.7,α＝-2°~8°,β＝0°~2°的范围内,进气道的总压恢复系数在0.920~0.952之间,周向畸变指数在1.142%~2.237%之间,达到了实用水平。(3)研究范围内,攻角的增加有利于改善平面埋入式进气道的总压恢复系数和周向畸变指数,而小角度侧滑时对出口流场畸变的影响不大,不仅未下降,反而稍有增加。     

基于B-样条插值的图像边缘检测

为了能高质量地进行图像边缘检测,提出了一种新的基于B-样条插值的边缘检测方法.该方法为了保证图像边缘检测后的质量,采用3次B-样条对图像的像素点灰度值进行插值运算,提出了基于B-样条插值的一阶和二阶微分算子,并引入数字滤波技术加以实现.利用B-样条可分离的特性,实现了2维空间的基于B-样条插值的连续图像的重构函数,在此基础上提出了用于边缘检测的基于3次B-样条的一阶梯度模板和二阶微分模板.该方法非常适合于采用硬件的并行化实现,极大地提高了图像处理速度和边缘检测质量.     

气动参数对后台阶三维缝隙换热影响的研究

针对涡轮叶片尾缘冷却结构特点,建立了后台阶三维缝隙结构气膜冷却特性试验台,测量了缝隙中心和肋中心下游换热系数的局部分布,研究了不同雷诺数Re(5000～15000)与吹风比Br(0.5～2.0)对换热系数的影响规律,试验结果表明:(1) 出口的换热系数总体呈下降趋势,但在肋后中心线略有起伏;(2) 随着Re的增大,换热系数增大,随着Br的增大,换热系数减小;(3) 在靠近出口位置,由于热边界层与三维掺混特性流场的影响,使得换热变得复杂.     

锯齿尾缘构型降低圆柱-叶栅干涉噪声的实验研究

通过在叶栅上游放置圆柱产生各向异性的湍流尾迹,并与下游叶片相互干涉产生干涉噪声,研究了仿生学锯齿尾缘构型对圆柱-叶栅干涉噪声的影响。针对西北工业大学航空叶轮机气动力学与气动声学实验室（TAAL）低压涡轮平面叶栅,在不同来流速度的情况下,使用远场圆弧阵列测量了叶栅远场噪声,并基于CLEAN-SC数据处理算法使用由31个传声器组成的线阵列测量识别了不同叶栅的尾缘噪声,得到了圆柱尾迹来流下锯齿尾缘构型的降噪效果。实验结果表明,不同锯齿尾缘构型的降噪效果存在差异,当来流为圆柱尾迹时,对叶栅尾缘噪声的识别测量结果显示此时锯齿尾缘降噪效果有限,最佳降噪量仅为1.296dB,当来流速度较高时,采用的锯齿尾缘构型无法降低圆柱-叶栅干涉尾缘噪声。     

考虑冷气喷射的涡轮叶栅尾缘损失理论分析

 基于Denton 的尾缘流动理论, 发展了一种考虑冷气喷射的二维、可压涡轮叶栅尾缘混合损失模型,研究了涡轮叶栅尾缘损失的特征, 定量评估了影响尾缘损失的各种参数。研究表明, 冷气流量是影响尾缘损失的一个重要参数, 对于主流马赫数为11 1 的典型情况, 冷气流量从0 增大到10%, 损失增大315 倍。叶片尾缘基压变化对损失也具有明显的影响, 其它影响损失的参数包括叶栅出口位置边界层动量厚度、冷气总压、叶栅尾缘厚度等。     

应用后缘装置的跨声速层流翼型多岛优化设计

高雷诺数状态下,自然层流技术(Natural laminar flow,NLF)是减小机翼表面湍流摩擦阻力的有效方法。然而由于层流翼面上大范围顺压梯度的存在使得后缘处的恢复压差更大,产生更强的激波。因此在减小摩擦阻力的同时又增加了激波阻力。本文采用后缘装置(Trailing edge device,TED)来控制翼型后缘处的激波强度,基于线性稳定性理论(Linear stability theory,LST)的eN方法对流动进行转捩判断,进而应用多岛并行多目标进化算法(multi-objective evolutionary algorithm,MOEA)以获得大范围层流区域和弱化激波强度为目标对翼型进行优化设计。优化结果表明合作均衡策略耦合进化算法可以快速地捕捉到该多目标问题的Pareto阵面解,阵面上翼型的波阻力和摩擦阻力性能较初始翼型大大改善。同时,采用后缘装置控制激波强度时,无论在设计点还是偏离设计点时,优化后翼型均具有良好的升阻力特性和鲁棒性。     

飞行器尖化前缘的热结构特性

在分析尖化前缘热环境特性的基础上,给出了尖化前缘相应的热结构特性的计算和分析,分析结果表明：尖化前缘热流密度在2～3个自由程内下降到原来的1/3,而表面温度仅有10%的下降;高热导率的防热材料可降低前缘的最高表面温度,对非烧蚀热防护十分有利,它还可提高后部的表面温度,增加辐射散热的力度,这是非烧蚀热防护的重要机制.     

扰流柱对层板冷却叶片前缘传热

根据涡轮导向叶片进、出口条件,运用RNG k-ε湍流模型对简化的层板冷却叶片前缘部分进行数值模拟计算,比较了冲击双层壁和带有圆形、方形、菱形扰流柱的4种层板冷却叶片前缘的流动与传热情况。结果表明:冲击双层壁的总压损失与带扰流柱的层板冷却叶片前缘的相差不大;方形、菱形与圆形扰流柱的靶面换热系数分布相近,差别很小;带扰流柱的层板结构叶片前缘的冷却效率比冲击双层壁的前缘的高,其中方形扰流柱的前缘表面的冷却效率最高,菱形、圆形的次之。     

波瓣尾缘切角对涡扇发动机混合排气系统气动热力性能影响

为了获得尾缘切角对涡扇发动机波瓣强迫混合排气系统的流场、热混合效率、总压恢复系数以及推力系数的影响,以涡扇发动机波瓣强迫混合排气系统为研究对象,采用基于Navier-Stokes方程的三维数值模拟方法对不同波瓣尾缘切角模型进行了计算并得到了气动热力性能的影响规律.结果表明:较大的尾缘切角造成在尾缘截面前主次流更早的提前混合,使流向涡的产生和发展在位置上向上游提前,以至于在尾缘截面之后的一定范围内混合效率更高.但大尾缘切角同时也造成较大的能量损失,以至于总压恢复系数较小,总的混合效率偏低:相比0°切角,25°切角的总压恢复系数减小了0.34％,热混合效率减小了11％.适当的尾缘切角修形可以增大推力系数.