磁浮飞行风洞试验技术及应用需求分析

随着高速、超高速轨道交通的快速发展,需要发展新型的风洞设备,实现风洞性能和试验能力的突破.磁浮飞行风洞是利用真空管道列车概念结合动模型试验技术提出的一种新概念风洞设备,可以构建出更加接近真实状态的测试环境.本文从磁浮飞行风洞基本概念、国内外研究现状及发展趋势、试验技术、应用需求等几个方面开展论述.首先论述了国内外传统风洞和动模型设备的现状及发展趋势,指出了发展磁浮飞行风洞的必要性;其次,重点对磁浮飞行风洞需要发展的试验技术进行了分析;最后,对磁浮飞行风洞在超高速轨道交通及其他领域的应用需求进行了展望.     

风雷软件LES开发设计与验证

基于国家数值风洞风雷软件开源框架，设计开发了LES(Large Eddy Simulation)湍流模型，主要包括Fourier谱/有限差分方法 LES求解器和有限体积/有限差分方法 LES求解器。简要介绍了采用的不可压缩流动求解的投影法、Fourier谱/有限差分混合方法、亚格子模型等理论方法，给出设计的软件框架和计算流程，尤其说明采用的松/紧2种耦合模式。通过数值模拟不可压缩槽道湍流、亚临界雷诺数圆柱绕流、NACA0012临界攻角的低频振荡算例，验证求解器的计算精度和复杂湍流模拟能力。基于风雷开源框架设计的开源LES模型，具备高精度数值格式、亚格子模型、湍流统计等通用模块，可为国内学者提供一个LES湍流模拟研究的开放平台。     

连续式风洞二喉道调节马赫数控制策略

为了降低连续式跨超声速风洞压力波动,提高马赫数稳定性,需要对二喉道调节马赫数控制方式进行研究,针对现有文献鲜少对该控制策略描述等问题,以0.6m连续式跨声速风洞为例,对二喉道控制马赫数的原理进行分析,基于运动控制器加伺服驱动器双PID(proportion-integral-derivative)控制模式实现二喉道位置精确控制,提出了二喉道和压缩机转速的组合控制流程,并采用分段变参数模糊PID加串级控制的算法实现马赫数精确控制,最后进行了试验验证。结果表明马赫数控制精度优于0.001,且每个马赫数极曲线(9个攻角阶梯)的时间可控制在4min以内,证明所提出的控制策略是有效的,可为连续式跨超声速风洞的设计调试提供参考。      

惯性参数对飞翼体自由度颤振特性的影响规律研究

飞翼飞行器刚体短周期模态频率较高,易与一阶弹性弯曲模态耦合发生一种特殊的颤振——体自由度颤振。采用风洞实验与频域计算相结合的手段,开展了惯性参数(俯仰转动惯量、质心位置)对飞翼飞行器体自由度颤振特性(颤振速度和颤振频率)的影响规律研究。实验和计算结果表明:俯仰惯量和质心位置会明显改变体自由度颤振频率与速度,颤振实验与计算结果一致性较好。俯仰惯量增加,颤振频率降低,沉浮约束时颤振速度基本不变,沉浮自由时颤振速度增大;质心位置前移,俯仰模态频率与阻尼同时增加,俯仰与一阶弹性弯曲模态耦合更容易,但发散模态分支的阻尼也更大,导致颤振速度先降低后增大,颤振频率单调增加。     

0.3 m低温连续式跨声速风洞结构设计

低温风洞运行过程中，洞体回路承受的温度低且温度变化范围大，使结构产生较大的热变形和热应力，将影响风洞的气动性能和安全性。在进行0.3 m低温风洞结构设计时，通过合理选取风洞结构材料、采取驻室夹层内腔的气流换热和结构热变形释放等措施对结构热变形进行有效控制，并针对洞体回路的热变形和热应力计算等内容开展了仿真研究。计算结果表明，降温7200 s后，拐角导流片的温度降至约110 K，稳定段的法兰温度约为250 K，洞体回路的最大热应力出现在换热器驻室壳体上，约为110 MPa，安全系数大于1.8；洞体回路温度降至90 K时，长轴方向收缩约为29 mm，短轴方向收缩约为12 mm。通过低温风洞试验发现，仿真计算结果接近于实际的测量结果，调试试验结果验证了该风洞结构设计的可靠性。     

基于风洞的导弹姿态控制性能评估方法

鉴于风洞中测评飞行器控制性能更加真实的特点,研究了一种基于风洞的导弹姿态控制性能评估方法。首先,明确评估对象,即基于风洞可评估的导弹姿态控制性能及其指标;其次,提出一种基于风洞的导弹姿态控制性能评估方法,包括试验方法、数据处理方法与性能评定方法,通过试验方法可以获取到性能评估所需的原始试验数据,通过数据处理方法可将试验原始数据转换为性能评定所需的性能指标参量,通过性能评定方法可以对导弹姿态控制性能的优异进行界定。最后,以某高超声速导弹为例,基于其数学仿真模型,对该评估方法进行仿真验证,初步论证该评估方法的可行性。     

导热-辐射耦合传热的多尺度分析和数值模型

复合材料高温传热特性的准确预测对飞行器热防护结构的设计有重要意义，相关模型也是国家数值风洞工程中多相多介质计算模型的重要组成部分。针对周期性结构复合材料的高温传热问题，利用多尺度渐进分析方法，对包含导热方程和辐射传输方程的导热-辐射耦合传热模型开展了研究。建立了表征单元尺度模型及宏观平均导热-辐射耦合传热模型，获得了材料宏观等效导热系数与表征单元模型间的关系，发现宏观等效辐射吸收和散射等系数可通过表征单元内的体积平均求取。结合有限容积方法与格子Boltzmann方法，建立了复合材料导热-辐射耦合传热多尺度数值模型。采用二维常物性材料传热过程的模拟验证了多尺度模型的有效性，结果表明所建立的多尺度模型能够对温度场给出准确高效的计算结果。该方法有助于为复合材料传热特性的预测提供数值手段。     

小尺寸Schmidt-Boelter热流传感器的研制

为满足常规高超声速风洞试验的热流测量需求，研制了一种小尺寸Schmidt-Boelter热流传感器。建立了传感器仿真模型并基于该模型对其结构尺寸开展了优化设计。根据优化结果，制作了尺寸为Φ 3×10 mm的传感器样件。在弧光灯热流标定系统上进行了性能测试，试验结果表明:该传感器灵敏度系数大于30 μV·m2/kW，响应时间约50 ms。     

连续变迎角试验数据自适应分段拟合滤波方法

针对常用的阶梯变迎角数据处理方法处理连续变迎角试验数据时，不能去除低频振动分量的问题，基于试验数据中的近似对称、局部线性等特点，提出一种将数据进行分段二项式拟合的处理方法，并详细论述其基本原理，重点介绍基于方差极小值动态确定数据分段长度的方法。基于测试信号的实验结果表明所提方法可将低频分量信号滤除近70%，有效提高数据处理精度。经标模试验测试验证，所提方法可成功应用于某些试验。