旋转弹体马格努斯效应数值模拟方法研究

旋转的弹体通常会存在马格努斯效应,严重影响飞行稳定性和弹道轨迹。提出基于旋转壁面法的多对称面弹体旋转效应数值模拟方法,无需借助动网格和多参考系模型,仅需要将旋转速度附加壁面,即可使用定常方法模拟马格努斯效应;同时,使用SOCBT标准弹体模型对该方法进行验证分析。结果表明:计算值与试验值吻合较好;由于旋转引起的附面层堆积以及大攻角分离效应、激波的干扰,计算时附面层的网格节点要足够密,并且应该针对不同的攻角选择精度与效率兼顾的计算模型。     

不同攻角条件下偏转头弹箭流场与气动特性

基于DES（detached eddy simulation,分离涡模拟）方法及AUSM（advection upstream splitting method,对流迎风分裂方法）格式,对不同偏角的偏转头弹箭在非零攻角下的超声速流场和气动特性进行了数值模拟.结果表明:在非零攻角情况下,与常规弹箭流场相比,偏转头弹箭头部迎风面激波更强;而当有效入射角相等时,即使弹箭的攻角不一样,其头部流场结构仍相同,且尾翼流场基本不受头部偏角影响.另外,由气动力系数变化曲线可知,偏转头弹箭具有良好的纵向静稳定性,且升力系数随攻角的增长率大于阻力系数,即升阻比大于常规弹箭,因此适当增大攻角可以提高偏转头弹箭的气动特性.      

船尾形状对旋成体马格努斯效应的影响

尖头旋成体和船尾形状是子弹、炮弹及火箭弹等抛射体上常用的布局形式。研究表明船尾布局具有减小底部阻力、增大射程的作用,但此时旋成体的马格努斯效应增大,对运动稳定性产生不利影响。为了解释这种流动现象,对三维旋转弹流场进行了数值模拟,对从亚声速到超声速下的旋成体马格努斯力和力矩进行了分析,重点对标准形状和船尾形状两种底部进行了比较。结果表明,相对于标准形状,在所有来流下船尾形状都起到了增大马格努斯效应的作用,并且马格努斯力和力矩与船尾角成正比。为了揭示其流动机理,选择代表性计算状态对两种布局马格努斯力矩系数分布、边界层厚度分布和边界层位移厚度分布进行了对比分析,结果表明,在亚跨声速下船尾马格努斯效应由绕拐角的加速流动引起,使当地压力系数幅值增大;在超声速下船尾马格努斯效应由船尾段的气流膨胀引起,使旋成体左右两侧的边界层位移厚度畸变增大。上述两种效应都使马格努斯力矩增加,对于亚声速流动来说,该效应发生在柱段与船尾段连接位置;对于超声速流动来说,该效应发生在连接点以后的船尾段上。当来流速度在声速点附近时,上述两种效应都可能发挥作用,使船尾形状的旋成体马格努斯效应大幅增加。     

固体火箭冲压发动机导弹气动外形设计与试验研究

某固体火箭冲压发动机导弹存在着航程阻力大、静稳定性差、平衡攻角偏大、舵效偏高等一系列问题。根据导弹的基准外形,结合相关理论,对影响导弹气动性能的关键部件进行了分析与比较研究,并对外形进行改进,建立了一系列差异化几何模型。用 FLUENT 软件,对导弹在不同攻角条件下外流场进行数值计算,得出了各模型的轴向力系数、法向力系数和俯仰力矩系数随攻角的变化规律以及表面的压力分布情况。计算结果表明,就设计目标考虑,采用改进后的大进气道、小弹翼、舵面边条、后掠舵面和水平尾翼布局的模型性能最优。为进一步研究该最优布局下各关键部件对导弹气动性能产生的影响,进行了组拆选型风洞试验。试验中将这些关键部件逐步组装到光弹体上,前后共测试了16种模型状态,经对比分析,确定了气动性能最优的外形,且该最优外形与数值计算所确定的最优模型一致。随后对该最优气动外形的导弹进行全弹风洞测力试验。试验表明,相较于基准弹,优化后的导弹模型各项气动性能均有所提高,其中,轴向力系数数值减小了3%~4%,纵向焦点位置平均后移3%左右,平衡攻角较基准弹减小1.5°(60%)左右,对质心的俯仰舵效减小了40%左右,滚转舵效减小了35%左右。试验结果与同条件下的数值计算结果吻合较好,同时这也验证了导弹气动优化过程中 CFD 数值计算方法的合理性。     

结构误差对旋转稳定弹丸气动特性影响的数值模拟

基于剪切应力传输(SST)k-ω湍流模型,对考虑结构误差情况下的弹箭模型进行数值模拟计算。首先采用CFD和工程经验公式相结合的方法,得到了不同马赫数、不同转速情况下无结构误差模型的多种气动特性参数。通过与实验数据对比,阻力、法向力、俯仰力矩、压心位置误差在10%以内,验证了该方法的可行性和准确性。然后,建立了考虑结构误差即质量分布不对称、弹体不同轴和无结构误差模型,并分别进行了气动特性模拟计算。结果表明,质量偏心对滚转阻尼力矩系数、马格努斯力矩系数影响很大;弹体不同轴对法向力系数导数、俯仰力矩系数导数、马格努斯力矩系数导数和压心位置都产生很大影响。结构误差使模型的多种气动特性参数产生很大变化,将影响其飞行弹道和稳定性。     

大攻角侧向多喷干扰流场特性数值模拟

采用计算流体力学(CFD)方法研究了大攻角状态下侧向多喷口干扰复杂流场对导弹气动特性的影响。首先通过喷流标模和大长细比导弹模型的雷诺平均Navier-Stokes(RANS)数值模拟,分别验证了所采用的仿真方法对喷流干扰流场和导弹大攻角流动求解的能力;其次采用RANS方程组对大攻角状态侧向多喷干扰流场进行了数值模拟,表明攻角与喷口数量对导弹气动载荷分布产生较大的影响;然后通过对比分析有/无喷流时法向力系数沿导弹轴向的分布,以及流场结构,揭示了不同攻角时喷流干扰流场对导弹气动特性影响的流动机理;最后给出了侧向喷流对导弹建立攻角时间影响的初步分析,表明与采用单独气动舵进行姿态控制相比,在10 km高度采用侧向喷流直接力控制不能提高导弹的快速性。     

弯曲和旋转修正的湍流模型在旋转翼身组合弹箭中的应用研究

为了研究高速旋转产生的流线弯曲及壁面强湍流剪切效应,本文采用完全时间相关的非定常N-S方程,对超声速带翼旋转弹箭开展计算,研究了弯曲和旋转修正的湍流模型SARC和SSTRC对弹箭旋转气动特性和流场结构产生的影响。结果表明:对全弹侧向动态特性计算,弯曲和旋转修正的湍流模型与原始模型精度相当,侧向力和力矩旋转导数最大差异6%,4组经验估算公式计算的马格努斯力旋转导数与本文结果误差皆15%。弯曲和旋转修正的湍流模型使物面压力左右两侧同时偏大或偏小,与原始模型相比并没有加剧或削弱不对称效应,这是全弹马格努斯特性变化不大的原因。弯曲和旋转修正湍流模型预测的分离区更大,对分离流动的抑制能力减弱。     

考虑进排气的飞翼静、动态气动特性数值模拟

采用计算流体力学（CFD）数值模拟技术,以二维模型为例,建立了基于小幅度非定常运动的动导数计算方法,构建了考虑喷流引射效应的进排气模型、考虑管道效应的通气模型以及常规的保形模型,分别对其静态以及动态气动特性进行了数值模拟计算,并辨识了其纵向俯仰力矩系数组合动导数。研究表明:非定常动导数辨识方法较为准确可靠,相比保形模型,进排气以及通气模型的静态失速攻角（AOAs）增大,升力系数、阻力系数及俯仰力矩系数也增大,但力矩系数斜率基本不变,说明静态稳定性差异不大。而相同攻角下,进排气影响下的俯仰力矩系数组合动导数绝对值最大,表明了进排气模型具有最大的动态阻尼,而通气模型次之,保形模型的动导数绝对值最小。      

基于非结构重叠网格的螺旋桨滑流非定常数值模拟

基于各向异性非结构混合网格及多套网格重叠技术,通过求解非定常雷诺平均Navier-Stokes(URANS)方程,分别研究了螺旋桨动力特性和螺旋桨滑流对涡桨飞机气动特性影响。运用物面相交准则实现多套网格间的挖洞,采用距离权和三线性插值技术传递重叠区变量信息,并针对定轴旋转优化了网格重叠边界。采用双时间步求解控制方程,内迭代计算采用LU-SGS(lower-upper symmetric Gauss-Seidel)方法。模拟了单独螺旋桨旋转的非定常流动,计算的拉力系数和扭矩系数与试验结果一致,表明采用的数值方法和网格技术能有效模拟螺旋桨滑流效应。数值模拟了某涡桨飞机,对比了有无滑流下飞机的气动特性,给出了滑流对飞机影响。结果表明:滑流导致其后部气流加速和旋转,改变飞机气动特性,增大飞机的阻力和俯仰力矩,导致气流下洗,影响机翼及平尾压力分布。      

母弹飞行稳定性及尾部流场分析

为了得到航弹母弹飞行稳定性及尾部流场特性,通过模拟试验和数值计算进行了研究.试验和模拟结果均表明该母弹飞行稳定,且两结果吻合较好.另外,采用数值计算对尾部流场进行了分析,得到了尾部压力分布特性,表明弹尾部存在涡流区,该区范围和流速随弹飞行速度的增加而增大.      

基于RANS-LES混合方法的翼型大迎角非定常分离流动研究

使用雷诺平均Navier-Stokes方程-大涡模拟（RANS-LES）混合方法中的延迟分离涡模拟（DDES）方法,模拟了NACA 0015翼型在大迎角下的静态绕流和强迫振荡运动并与实验值进行了比较。在大迎角静态翼型大分离流动模拟中,DDES方法捕获了非定常RANS计算未能获得的机翼背风面的涡脱落现象。在所采用的RANS和DDES模型中,基于剪切应力输运（SST）湍流模型的SST-DDES混合方法给出的时均压力系数分布与实验吻合得最好。在大迎角强迫振荡翼型绕流模拟中,DDES方法得到的非定常气动载荷与实验值吻合得很好,正确地反映了最大迎角处阻力和俯仰力矩的阶跃性突变,而非定常RANS计算则给出了完全错误的趋势。     

尾翼稳定大长径比无控旋转火箭弹的锥形运动与抑制

分析了尾翼稳定大长径比无控旋转火箭弹的锥形运动,指出由旋转诱导产生的面外力和面外力矩是锥形运动产生的原因.小攻角时,面外力和面外力矩主要是马格努斯力和马格努斯力矩.根据正、反装卷弧形尾翼及平板形尾翼外形滚转特性的风洞实验结果,指出通常采用的正装正向旋转的卷弧形尾翼会使锥形运动加剧;将卷弧形尾翼反装且反向旋转是抑制和减小大长径比无控旋转火箭弹锥形运动的有效措施.     

Effects of Mach numbers on Magnus induced surface pressure

Experimental and numerical methods were used to investigate the Magnus phenomena over a spinning projectile. The pressure force acting on the surface of a spinning projectile was measured for various cases by employing a relatively novel experimental technique. A set of miniature pressure sensors along with a data acquisition board, battery and storage memory were placed inside a spinning model and the surface pressure were obtained through a remotely controlled system. Circumferential pressures of the model for both rotational and static conditions were obtained at two different free stream Mach numbers of 0.4 and 0.8 and at different angles of attack. The results showed the ability of this new test method to measure the very small Magnus force via surface pressures over the projectile. The results provide a deep insight into the flow structure and illustrate changes in the cross-flow separation locations as a result of rotation. Similar results were obtained by the numerical simulations and were compared with the experimental data.     

飞行器大迎角下俯仰静、动导数的数值计算

 采用一种适用于非定常流动计算的逐次超松弛（SOR）时间推进方法耦合求解非定常Navier-Stokes方程和强迫运动方程,数值模拟了NACA0012翼型、弹道外形(HBS)和有翼导弹等飞行器在不同初始迎角下做强迫俯仰振荡的黏性动态流场,给出动态气动力及力矩系数的时间历程;采用积分法获得飞行器的静导数和动导数,将计算结果与实验结果及半经验理论预测方法进行比较并分析飞行器在大迎角下动态特性的非线性特征;计算结果与实验值相吻合,表明本文采用的非定常数值模拟方法在大迎角下能够较准确地模拟飞行器的动态特性,具有工程应用价值。     

飞机大迎角机动非线性气动力模型的辨识

给出一种基于最大似然辨识的方法,用以分析飞机模型的大迎角大幅强迫简谐振动获得的气动力和力矩数据,在泛函分析和非定常气动力线性理论的基础上,通过合理的简化建立了能够包括气动力动态失速和涡流破裂及显著气动迟滞效应的大线性气动力模型表达式,并应用飞机模型的试验数据验证了该方法的计算结果,实际计算结果表明该非线性气动力模型能够较为精确地计算飞机模型大幅度迎角简谐振动产生的气动力响应。     

Effects of yaw-roll coupling ratio on lateral-directional aerodynamic characteristics

Experimental investigation of large amplitude yaw-roll coupled oscillations was conducted in a low-speed wind tunnel using an aircraft configuration model. A special test rig was designed and constructed to provide different coupled motions from low to high angles of attack.A parameter ‘‘coupling ratio" was introduced to indicate the extent of yaw-roll coupling. At each pitch angle, seven coupling ratios were designed to study the yaw-roll coupling effects on the lateraldirectional aerodynamic characteristics systematically. At high angles of attack, the damping characteristics of yawing and rolling moments drastically varied with coupling ratios. In the coupled motions with the rotation taking place about the wind axis, the lateral-directional aerodynamic moments exhibited unsteady characteristics and were different from the ‘‘quasi-steady" results of the rotary balance tests. The calculated results of the traditional aerodynamic derivative method were also compared with the experimental data. At low and very high angles of attack, the aerodynamic derivative method was applicative. However, within a wide range of angles of attack, the calculated results of aerodynamic derivative method were inconsistent with the experimental data, due to the drastic changes of damping characteristics of lateral-directional aerodynamic moments with yaw-roll coupling ratios.     

推力矢量对飞机大迎角动态气动特性的影响

推力矢量是提高战斗机大迎角动态气动特性,提升其过失速机动能力和飞行品质的重要手段。新一代战斗机的高机动性要求也使气动和推力矢量的融合控制研究日益重要。针对中国空气动力研究与发展中心∅3.2 m开口低速风洞,研制了喷流模拟器和通气动态试验装置,建立了带推力矢量的大迎角动态试验技术。开展了不同减缩频率、不同落压比、不同喷管偏角时的大迎角俯仰振荡运动特性试验研究。结果表明：与无喷流试验相比,带喷流时模型的动态特性均随着落压比和喷管偏角的变化呈现规律性的变化;力和力矩系数形成的迟滞曲线面积随着落压比和偏角的增加而增加;减缩频率的变化对模型的动态特性影响小于无喷流时的影响。总的来说,推力矢量的影响未改变模型大迎角动态特性的基本规律,但是随着推力矢量角度和大小的变化,有规律地改变了模型动态气动力和力矩的变化幅度。     

Transonic wing stall of a blended flying wing common research model based on DDES method

Numerical simulation of wing stall of a blended flying wing configuration at transonic speed was conducted using both delayed detached eddy simulation(DDES) and unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes(URANS) equations methods based on the shear stress transport(SST) turbulence model for a free-stream Mach number 0.9 and a Reynolds number 9.6 × 10~6. A joint time step/grid density study is performed based on power spectrum density(PSD) analysis of the frequency content of forces or moments, and medium mesh and the normalized time scale0.010 were suggested for this simulation. The simulation results show that the DDES methods perform more precisely than the URANS method and the aerodynamic coefficient results from DDES method compare very well with the experiment data. The angle of attack of nonlinear vortex lift and abrupt wing stall of DDES results compare well with the experimental data. The flow structure of the DDES computation shows that the wing stall is caused mainly by the leeward vortex breakdown which occurred at x/x_(cr)= 0.6 at angle of attack of 14°. The DDES methods show advantage in the simulation problem with separation flow. The computed result shows that a shock/vortex interaction is responsible for the wing stall caused by the vortex breakdown. The balance of the vortex strength and axial flow, and the shock strength, is examined to provide an explanation of the sensitivity of the breakdown location. Wing body thickness has a great influence on shock and shock/vortex interactions, which can make a significant difference to the vortex breakdown behavior and stall characteristic of the blended flying wing configuration.     

滚转运动对乘波飞行器气动特性的影响

 乘波飞行器运动过程中的非定常气动特性是高超声速飞行中的重要物理问题之一。采用数值模拟方法模拟了乘波飞行器在固定迎角下绕其对称轴强迫滚转运动这一过程。比较了在不同频率和滚转角下乘波飞行器的气动特性。计算格式采用AUSM类格式中最新的AUSM+up格式。计算结果表明：AUSM+up能很好地模拟飞行器滚转运动这一非定常过程;滚转运动时,所设计的乘波飞行器能使高压气体很好地附着在乘波飞行器下表面从而使其具有较好的气动特性;当频率较大时,乘波飞行器由于角速度的诱导作用会导致升力出现迟滞现象;做滚转运动时,滚转力矩小于零,产生正阻尼,乘波飞行器不会产生“摇滚”运动。