翼型大迎角振动对气动性能影响的实验研究与初步分析

通过在NF-3低速风洞专门研制的翼型模型及相应的俯仰和沉浮振动机构,选用NACA0012翼型进行大迎角下不同频率的振动实验,研究了模型振动平均状态下对其气动力特性的影响情况,并在N-S方程基础上对振动流场进行了初步分析。实验与计算研究的结果表明：在临近定常失速迎角的大迎角条件下,翼型的振动可以引起旋涡分离,导致翼型升力减小和失速迎角的提前。就所涉及的两种振动模式而言,俯仰振动的影响大于沉浮振动,所以,模型设计和加工时要特别注意加强机翼弦向的扭转刚度。     

大迎角下翼型振动的气动性能研究

众所周知,风洞试验中的飞机模型,尤其是带有大展弦比机翼的模型有时会出现翼梢振动现象,振动模式主要表现为翼梢沉浮和俯仰形式,以致影响实验结果的精度和可靠性。选取相对厚度较小的NACA0008翼型,在求解非定常Navier-Stokes方程的基础上,采用改进的无限插值理论和绕翼型的C型网格,模拟风洞实验中模型振动条件下的流场,研究振动模式及其不同耦合对流场、尤其是大迎角流场的影响,并考虑了模型弹性轴不同位置对结果的影响。研究结果表明：在临近传统定常失速迎角的大迎角条件下,翼型的振动可以引起翼型大尺度的分离,导致翼型失速的提前发生;振动在不同的相位滞后条件下,对翼型流场的分离程度不尽相同。     

不同振动形式下的翼型失速特性

通过求解雷诺平均Navier-Stokes方程,研究了翼型在强迫振动和自然结构振动下的大迎角流场特性,尤其是失速迎角附近的流场和气动特性.研究结果表明:在接近颤振临界速度情况下结构自然振动可以引起翼型大尺度的分离,导致失速分离涡提前出现;强迫性的沉浮运动和俯仰运动在一定幅度下也可以引起失速性质的大分离,而且沉浮和俯仰振动的频率和振幅都是影响翼型大尺度分离的重要因素.     

风洞实验中机翼振动对气动特性影响的计算分析

通过求解非定常N-S方程研究了弹性机翼在低速气流中振动时的气动特性,并与刚性机翼气动特性做了比较。通过结构有限元方法计算出模型机翼的结构模态和相应振动频率,假设机翼以最小刚度的弯曲模态振动,计算了不同振幅下不同迎角、尤其是失速迎角附近的升力特性。计算结果表明,在小振幅下机翼的平均升力特性和刚性机翼相差很小,但当振幅达到一定幅度后,振动机翼下平均升力特性与刚性机翼的结果有较明显的差别,主要表现在最大升力系数的降低和失速迎角的减小。此结果可以解释实际风洞实验中最大升力系数往往小于CFD结果、实验中最大升力系数对应的迎角也比CFD结果小的现象。     

直升机旋翼翼型动态失速特性试验研究

针对CH-9.5旋翼翼型,开展了不同马赫数、迎角及振动频率下的静态和动态气动特性实验,介绍了试验测量方法、试验结果处理步骤,测量了不同状态、不同参数时的翼型动态失速特性,给出了迟滞环区域随马赫数、迎角及振动频率的变化规律,所得的试验结果为理论模型提供了验证依据。     

大迎角水平振动翼型绕流的数值模拟

从涡量流函数形式的N-S方程出发,数值计算了大迎角水平振动翼型的粘性绕流问题,得到近场涡结构及非定常演化过程。探讨了振动频率、振幅及迎角对流场涡结构及翼型升、阻特性的影响。结果表明,振动频率及振幅增加有助于提高翼型的平均升力;过大的迎角不利于升力提高。     

旋翼翼型动态失速机理及非定常设计研究进展

旋翼翼型的动态失速现象限制了直升机的最大飞行速度和机动性,并且其产生机理复杂、抑制困难,是直升机空气动力学领域持续关注的重点与难点问题.本文首先介绍了试验、半经验模型和计算流体力学(CFD)等旋翼翼型动态失速研究方法的发展,分析了不同方法的优缺点和适用范围.其次,梳理了旋翼翼型动态失速机理及气动外形、迎角及来流等参数影响机制的研究进展.综合对比发现,变来流-变迎角耦合状态的动态失速更符合旋翼桨叶剖面的流动特征,是未来旋翼翼型动态失速研究的重要方向之一.然后,阐述了旋翼翼型设计方法和设计理念的发展历程,分析了主流翼型定常设计与少数非定常设计理念的优缺点.分析结果表明,非定常设计可以获得既能缓解动态失速又能显著提高静态气动特性的翼型,综合考虑旋翼桨叶剖面运动与来流特征的非定常设计是当前旋翼翼型设计的一个新方向.最后,对旋翼翼型设计的未来发展方向进行了讨论,提出了旋翼翼型设计与旋翼桨叶一体化设计的多层级、多阶段发展设想.     

基于充气前缘技术的旋翼翼型动态失速抑制

动态失速的发生会在直升机旋翼桨叶和桨毂上产生高的交变扭转振动载荷,并限制直升机高速重载状态下的使用包线。本文利用计算流体力学(CFD)方法对基于充气前缘(ILE)技术的SC1095旋翼翼型动态失速抑制进行研究,分析了ILE抑制动态失速的控制机理,获得了ILE结构布置和充放气方式对动态失速的影响规律。研究表明:ILE可以有效抑制动态失速的发生;ILE最大膨胀程度越大,其抑制动态失速的效果越好,但膨胀程度过大后抑制效果开始减弱;ILE在翼型上仰至最大迎角时恰好达到最大膨胀状态,其对动态失速的抑制效果最好;ILE保持最大膨胀状态的时间长短对抑制效果影响不大;在翼型上仰至不同迎角时开始对ILE充气会对动态失速抑制有较大影响;ILE整流段与翼型连接位置对动态失速抑制有很大影响,整流段越长,抑制效果越好。     

旋翼翼型低Ma数动态失速特性计算

低Ma数下,翼型前缘涡强度的增加和移动使法向力系数产生很大的超调量,Beddoes通过增加一项与延迟后后缘分离点有关项来模拟该特性,并改进Leishman-Beddoes二维翼型动态失速模型。在此基础上,本文在非定常法向力系数中引入一阶延迟,推迟失速判断点,得到修正后模型;而后,通过计算NACA0012、OA207翼型在低Ma数下的非定常气动力,并与实验结果进行对比,验证了模型在计算翼型低Ma数下非定常气动力的准确性,并分析了折合频率、迎角平均值、振幅对计算结果的影响。     

前缘下垂结合内吹式襟翼失速特性研究

内吹式襟翼具有高效的增升能力,但失速迎角在较高的吹气动量系数下下降明显,为改善其失速特性,研究内吹式襟翼加装前缘下垂后的失速特性。对前缘下垂结合无缝襟翼的亚声速翼型在环量控制作用下的流场进行数值模拟,研究吹气动量系数对失速特性的影响规律,前缘刚性偏转、弯度变化和厚度变化对失速特性的改善作用,以及改变襟翼偏角研究前缘下垂的作用效果。结果表明：随着吹气动量系数的增加,失速迎角先迅速下降再略微增加;前缘下垂装置减小了翼型上表面逆压梯度,延缓了翼型边界层动量厚度随迎角增加而增加的趋势,能有效提高失速迎角;通过逐渐改变前缘表面曲率,实现了前缘下垂设计对失速特性改善的最好效果。     

大展弦比机翼模型设计对翼型流场气动特性的影响

采用SST两方程湍流模型,通过求解非定常Navier-Stokes方程,模拟了大展弦比机翼风洞模型振动条件下的翼型流场,总结了翼型不同振动状况下的流场和气动力特点,分析了模型设计中的不同振动情况对风洞试验结果的影响。研究结果表明：在大展弦比机翼风洞模型的设计中,将翼型的重心设计在机翼的弹性轴之后,对风洞试验的精度较为有利。此结论对大展弦比机翼的风洞实验模型设计有指导意义。     

Numerical Investigation of the Effects of Wind Tunnel Model Vibrations on the Measured Aerodynamic Properties of Airfoils and Wings

This paper presents a numerical prediction of the unsteady flow field around oscillating airfoils at high angles of attack by solving unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes equations with SST turbulence model in order to simulate the effects of wind tunnel model vibrations on the aerodynamic properties of airfoils,especially high-aspect-ratio wings in a wind tunnel.The effects of the phase lagging between different modes of oscillations,i.e.,the airfoil plunging oscillation mode,the pitching oscillation mode,and the forward-backward oscillation mode,are also studied.It is shown that the vibrations (oscillations) of airfoils can cause the unsteady shedding of large-size separated vortex to precede the stationary stall incidence,hence lead to a stall onset at some earlier (lower) incidence than that in the steady sense.The different phase lagging has different effect on the flow field.When the pitching oscillation mode has small phase lagging behind the plunging oscillation mode,the effect of vibrations is large.Besides,if the amplitude of the oscillations is large enough,and the different modes of vibrations match or combine appropriately,the unsteady stall may occur 2° earlier in angle of attack than the case where airfoils keep stationary.     

大厚度翼型分离流场的稳定性探讨

基于k-ω的SST两方程湍流模型,求解了雷诺平均Navier-Stokes方程获得定常和非定常气动力,耦合翼型弹性振动方程,在时间域内模拟了弹性支撑下的大厚度对称翼型流场及其翼型动态过程,研究结果发现：在所给定的雷诺数条件下,弹性支撑下的大厚度翼型在一定大迎角范围内存在分离流场稳态的转化现象,此结果的意义在于：1）同一基本迎角下的翼型分离涡存在多个稳态流场;2）弹性支撑的翼型在大迎角分离流条件下气动力在物理上本身就存在非唯一性,从一个新的角度解释了大迎角气动力测量中的分散性。     

基于Lattice Bohzmann方法的翼型绕流数值模拟

将通过物理平面的结构化C型贴体网格变换到计算平面的均匀正交网格,引入非均匀网格插值方法,采用基于Lattice-Boltzmann方程的D2Q9模型,对低雷诺数下的NACA0012翼型绕流进行了数值模拟,对五个不同位置的边界层速度型与基于有限体积法的CFL3D程序的结果进行了比较.结果表明,两种方法的计算结果一致.改进后的Lattice-Boltzmann方法适用于曲边边界,非均匀网格,同时对计算速度影响不大.Lattice-Boltzmann方法计算较简单,因而用LB方法来模拟翼型绕流是一种新的选择,并可应用于更复杂的低雷诺数流动中.     

Aerodynamic shape optimization for alleviating dynamic stall characteristics of helicopter rotor airfoil

In order to alleviate the dynamic stall effects in helicopter rotor, the sequential quadratic programming(SQP) method is employed to optimize the characteristics of airfoil under dynamic stall conditions based on the SC1095 airfoil. The geometry of airfoil is parameterized by the class-shape-transformation(CST) method, and the C-topology body-fitted mesh is then automatically generated around the airfoil by solving the Poisson equations. Based on the grid generation technology, the unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS) equations are chosen as the governing equations for predicting airfoil flow field and the highly-efficient implicit scheme of lower–upper symmetric Gauss–Seidel(LU-SGS) is adopted for temporal discretization. To capture the dynamic stall phenomenon of the rotor more accurately, the Spalart–Allmaras turbulence model is employed to close the RANS equations. The optimized airfoil with a larger leading edge radius and camber is obtained. The leading edge vortex and trailing edge separation of the optimized airfoil under unsteady conditions are obviously weakened, and the dynamic stall characteristics of optimized airfoil at different Mach numbers, reduced frequencies and angles of attack are also obviously improved compared with the baseline SC1095 airfoil. It is demonstrated that the optimized method is effective and the optimized airfoil is suitable as the helicopter rotor airfoil.     

基于N-S方程的旋翼翼型优化设计方法

将N—S方程流场分析程序和序列二次规划结合起来，提出了一种工程实用的直升机旋翼翼型设计方法，以提高旋翼翼型在悬停、前飞和机动等多个设计点及在多种约束条件下的气动性能。由N—S方程计算得到的升力、阻力等气动参数构成目标函数，应用数值优化程序对其进行最优化。计算实例表明：本方法设计质量高，所需机时少，易于实施，有较大的工程应用价值。     

二维弹性扑翼沉浮运动流动特性的数值研究

采用非定常势流板块法和Euler-Bernoul1i梁振动微分方程,对后缘带弹性薄板的翼型在作沉浮运动时翼型绕流和薄板弹性振动之间的流-固耦合过程进行数值模拟,并计算流动特性、非定常气动载荷,尤其是沉浮运动的推力效应.用有限差分法求解薄板的弹性变形运动,气动弹性分析采用弱耦合迭代方式.通过对翼型非定常气动力(升力和推力)、推进效率、尾迹脱落涡计算结果的分析发现,通过调整弹性薄板的刚度,可以使得翼型产生最佳的非定常推力.