更高速(400+km/h)列车气动减阻技术发展与展望

合理有效的气动减阻技术是我国研发运营速度400+?km/h高速列车的过程需展开深入研究的重点内容.首先阐述了高速列车气动阻力的基本分布特征,并针对国外下一代更高速列车的气动减阻技术进行了调研,尤其分析了欧洲、日本和韩国的下一代更高速列车气动减阻技术的特征,总结了国外下一代高速列车气动减阻的关键技术与方法.然后根据列车气动减阻技术实施部位的差异,从列车头型优化以及转向架、受电弓和风挡等局部结构优化两个方面对我国目前高速列车气动减阻技术研究现状进行了分析和梳理,同时归纳了新型气动减阻技术的研究现状.最后在综合国外下一代更高速列车气动减阻技术与我国气动减阻技术研究的基础上,对我国更高速(400+?km/h)列车气动减阻技术中可行性较高且效果明显的发展方向进行了展望与建议,为我国更高速列车气动减阻技术的设计与发展提供有价值的参考.     

带减阻杆高超声速飞行器外形气动特性研究

采用高超声速风洞测力试验方法测量钝头飞行器头部减阻杆的高超声速气动特性,研究减阻杆的气动减阻原理,分析了多组不同构型减阻杆的减阻效果。结果表明,减阻杆显著减少了钝头飞行器高超声速的阻力,最大的减阻率达到60％之多;减阻效果与减阻杆构型和迎角状态密切相关;减阻杆会诱发稳定性、“热斑”以及非定常脉动等不利问题。     

内部声激励对汽车减阻降噪的研究

减小汽车行驶中的空气阻力，抑制行驶时的气动噪声具有十分重要的意义。汽车车身模型风洞实验表明，用内部声激励可获得有效的减阻效果，而且还能起到抑制气动噪声的效果。实验得出声激励的频率、强度、位置等参数与减阻率的关系，以及有、无声激励时模型表面压力系数分布情况，还得到了声激励对气动噪声频谱特性影响的有关规律。     

气动减阻表面对平板边界层影响

基于微纳米材料的气动减阻与疏水防冰混合涂层技术,旨在通过先进表面材料的参数化设计,以减缓大型风力机叶片等的气动载荷,提升气动性能。文中通过构建边界层精确测量技术和边界层特征参数辨识方法,结合近壁流动频谱特征,研究分析了一种减阻涂层对有限长平板边界层流动的影响。研究结果表明,减阻表面的微米级结构促使边界层粘性底层形成低雷诺数分离泡和脱体微旋涡。相较于金属固壁表面,气动减阻表面层流边界层在0.1 mm尺度内的微分离泡和微旋涡,对底部流动阻滞起到疏导作用,增强了层流稳定性,从而推迟边界层转捩。通过降低固壁摩擦阻力,进一步降低边界层导致的型阻,使得气动减阻表面流动的总阻力得以减少。     

远程民机变弯度机翼后缘外形变形矩阵气动设计

针对远程民机变弯度机翼后缘外形设计问题，从变形矩阵构建角度开展气动优化设计研究。参考指关节变形结构特点确定后缘变形外形参数化方法，基于代理优化算法，结合变形关联约束搭建了后缘外形变形矩阵气动优化设计流程，完成了以升力阶梯变化为特征的巡航任务剖面变形矩阵和由抖振点和阻力发散点构成的非巡航任务剖面变形矩阵的气动优化设计。研究表明，在巡航任务剖面，后缘变形减阻收益随着设计点升力相对基准点变化量的增加而增大，且高升力时的减阻量约为低升力的7～8倍。后缘变形减阻关键在于调整主翼压力分布，对变弯控制剖面偏度不敏感，考虑变形关联约束不会明显降低减阻收益，存在变弯控制剖面偏转规律相同、偏度与升力线性对应，且减阻收益明显的阶梯变形矩阵。在非巡航任务剖面，后缘变形同样具有明显的规律性，可有效降低抖振点的激波强度，但无法有效改善阻力发散。     

翼尖减阻装置风洞实验研究

对Ｙ１２飞机加装剪切翼尖和翼梢帆片后，其纵向和横侧气动特性影响的风洞实验表明，该措施几乎在整个实际飞行的升力系数范围内部具有明显的减阻效果，达到了改善性能预定的减阻指标。     

钝后缘翼型的后缘隔板减阻研究

采用数值模拟方法进行了FB-4000-1000钝后缘风机翼型的气动特性分析及底阻减阻研究。研究了三种后缘隔板布局对风机翼型气动特性的影响;其中一种隔板布局以升力损失为代价实现线性段减阻约40%,迎角区间平均减阻约25%;另一种布局在几乎没有升力损失的情况下,实现平均减阻约10%。     

超声速飞行器减阻盘与逆向喷流组合构型减阻防热性能研究

为降低超声速飞行器气动力和热载荷，采用数值方法对应用减阻盘与逆向喷流组合构型的钝体飞行器的气动性能进行了研究。首先，对仿真计算模型和数值计算方法进行了简要介绍。然后，进行了网格无关性校验和数值方法校验。最后，开展了仿真验证，分析了喷嘴直径比、减阻杆长径比、减阻盘直径比和逆向喷流总压比对减阻和防热性能的影响规律。研究结果表明：增加喷嘴直径比，减阻和防热效率均增大；增加减阻杆长径比，减阻和防热效率均先减小后增大；减阻盘直径比对减阻和防热性能影响不大；增加逆向喷流总压比可以显著改善防热性能，但会降低减阻效率。适当选取减阻盘与逆向喷流参数，最优构型可达到40.9%的减阻效率，同时防热效率达到72.2%。     

空气动力学发展中值得关注的一些问题

本文阐述了空气动力学研究的特点；分析了21世纪初空气动力学面临的形势，提出了空气动力学发展中值得关注的一些问题，包括新流型的研究与先进气动布局、流动控制与增升减阻、流动的逢适应控制与智能化空气动力学、低雷诺数流动与微流体力学、等离子体减阻技术、等离子体隐身与电空气动力学、机载激光武器的发展与气动光学等。     

大型客机气动设计综述

中国大型客机研制过程中追求"三减，四性"：减阻、减重、减排，安全性、经济性、舒适性、环保性。中国大型客机采用翼下常规布局形式，放宽静稳定技术，发动机选用CFM公司Leapx-1C发动机，这对气动设计技术在工程适用性上提出了极高的要求。大型客机是中国第1架完全自主知识产权民用飞机，本文综述了其设计过程中采用的先进气动优化设计方法、CFD分析和充分的风洞试验验证，说明了超临界机翼设计、高效增升装置设计、飞机/发动机一体化设计、尾翼设计、翼梢小翼设计和部件精细化减阻设计技术，能实现大型客机的减阻应用设计。研究表明，中国大型客机在气动设计水平和设计方法上取得了一系列的进展和突破，实现了设计具有较强竞争力的先进民用飞机的目标。     

临近空间太阳能无人机增升减阻技术综述

临近空间太阳能无人机是介于航空器与航天器之间的特殊飞行器。受太阳能电池的光电转换效率和储能电池能量密度的约束,提升临近空间太阳能无人机气动效率和螺旋桨推进效率是保证该类型无人机平台任务执行能力、具备永久飞行能力的重要技术途径。然而低雷诺数效应给全机增升减阻技术攻关和节能降耗的设计目标带来了严重困难和挑战。针对这一问题,本文从翼型设计、气动布局设计、螺旋桨/机翼气动耦合设计、流动控制技术、螺旋桨增效设计5个方面调研了临近空间太阳能无人机增升减阻技术的研究现状,梳理了现有增升减阻措施的技术路线,分析了不同增升减阻方法的优势与不足,最后针对临近空间太阳能无人机增升减阻技术的发展趋势给出了建议。     

高超声速飞行器减阻杆-双盘-槽道组合构型减阻防热特性研究

针对高超声速飞行器减阻防热问题,提出了一种减阻杆头部开槽进气、中部侧向排气的减阻杆-双盘-槽道组合构型。在飞行高度30 km、来流马赫数6条件下,基于SST k-ω湍流模型,采用有限体积法求解了二维轴对称雷诺平均N-S方程,对组合构型的流场进行了数值模拟,并分析了其减阻防热特性。相比减阻杆-单盘构型,减阻杆-双盘构型减阻防热效果更好,而减阻杆-双盘-槽道构型可以进一步提高减阻防热效果。进行了组合构型的影响因素分析,数值仿真结果表明,在研究参数范围内,侧向排气孔靠近两个气动盘中间位置、第二个气动盘直径较大的构型减阻防热总体效果较好。相比减阻杆-单盘构型,较优构型的总阻力系数降低了24.70%,钝体壁面斯坦顿数峰值降低了53.63%。     

仿生减阻翼型的气动性能

利用一种基于滑移边界理论的仿生肋条结构的模化方法,对仿生减阻翼型的气动性能开展了数值模拟研究。结果显示:肋条结构同时布置在翼型压力面和吸力面湍流区域时,仿生减阻翼型的阻力可降低1.73%~3.07%,升阻比可提高2.10%~4.08%,其中黏性阻力的减小是总阻力下降的主要原因。对流场分析表明,仿生减阻翼型的速度曲线出现一定抬升,使得湍流边界层中的黏性子层增厚,进而导致了仿生减阻翼型气动性能的提升。      

基于等离子体激励的湍流边界层减阻控制

为了探究介质阻挡放电（dielectric barrier discharge, DBD）等离子体气动激励对平板湍流边界层的减阻情况，在控制来流速度为10.7 m/s的低速风洞中进行等离子体平板湍流边界层减阻控制实验。本实验重点研究了不同激励频率对湍流边界层的减阻控制效果，使用热线风速仪系统采集流向速度信号，获得边界层平均速度分布和脉动速度分布。对实验结果进行对比分析发现，在施加不同频率的等离子体激励之后，边界层内对数区速度明显减小；随着激励频率的增加，局部减阻率呈现出先增大后减小的趋势，在激励频率为200 Hz时，减阻率达到最大为7.4%。     

曲面形栅格翼气动特性研究

与常规栅格翼布局相比，曲面形栅格翼布局减小了栅格翼翼元的等固壁通道的长度，从而有效降低了翼元内气流的壅塞，另外，这种栅格翼布局结构简单，易于折叠，减小了飞行器的轮廓尺寸，具有很好的工程应用前景。本文通过数值模拟方法，在亚、跨、超声速条件下，研究了曲面形栅格翼布局的减阻效果和减阻机理，对比了曲面形栅格翼和常规后掠形栅格翼布局的减阻效果，并对不同迎风方式的曲面形栅格翼气动特性进行了分析。     

发动机短舱对翼身组合体跨音速气动特性影响研究

为了达到增升减阻的目的,现代民用飞机设计越来越重视飞机各个部件之间的相互影响。部件之间的气动干扰影响着飞机的气动特性,合理的气动布局可以产生有利的气动干扰,获得满意的气动特性。针对民用飞机超临界机翼——翼吊式发动机短舱气动布局,通过数值模拟方法,研究了跨音速飞行时,发动机短舱对整机的气动特性影响。     

钝后缘翼型的后缘减阻装置研究

采用数值模拟方法进行了FB-4000-1000与FB-4000-2000钝后缘翼型的后缘减阻装置研究.分析了后缘减阻隔板安装位置对翼型气动特性的影响.其中后缘台阶中部安装隔板,以升力的小幅损失为代价实现中小迎角范围内减阻约35％,而在较大迎角时减阻约20％.     

基于气动外形优化和主动流动控制的减阻技术

增升和减阻是民用飞机设计的永恒目标。本文对民用飞机减阻技术最新进展及未来发展进行综述,在此基础上,报道了计算所团队通过数值优化设计及主动流动控制实现减阻的研究进展。为此,发展了基于壁面模化大涡模拟(WMLES)准确模拟湍流边界层的先进数值方法,以及利用伴随方程方法实现气动外形快速数值优化的技术。在具体实践中,通过组合基于自由变形(FFD)的几何参数化模块、基于线弹性体法的网格变形模块,以及基于伴随方程方法和序列二次规划(SQP)的优化算法模块,搭建了面向工程、适于超大规模变量优化设计的整机气动优化设计平台,在NASACRM模型上实现了设计变量超过600的大变量、跨声速气动数值优化设计,在合理的工程约束条件下,有效削弱了机翼表面激波,总体减阻率达到2%以上;通过对湍流平板边界层外层结构进行射流非定常控制,在中等雷诺数Reτ=4700条件下,实现了5%～6%的当地减阻率。研究证实,数值优化设计和基于外层射流控制的主动流动控制技术将是大型民用飞机减阻中非常有前景和值得重视的两种方法。     

城际列车底部结构优化减小气动阻力研究

随着我国城镇化建设的进一步加快,将开通越来越多的城际铁路,城际列车减阻问题引起了国内外学者的广泛关注。本文采用基于k-ε两方程的数值计算方法,针对城际列车底部流场分布以及气动阻力分布特性开展研究,研究结果表明:底部设备在整车阻力中占比较重,在列车底部安装半包式裙板、优化车下设备布局均能有效降低列车气动阻力,整车气动阻力减阻率分别可达7.48%和5.69%。此结论可为低阻列车外形设计提供依据。     

激光等离子体减阻技术研究进展

利用激光等离子体减小高超声速飞行器的气动阻力对节能和最大限度地提高飞行器性能具有重要的意义。简单概述了高超声速飞行器的军事需求及等离子体减阻技术的分类;总结了激光等离子体减阻机理的实验研究和数值模拟情况;讨论了等离子体能量、点火位置和形状等参数对减阻性能的影响,目前利用激光等离子体技术可以减小70%的波阻。针对中国的激光等离子体减阻研究工作,分析了目前国内外研究中存在的问题,提出了深入开展激光等离子体减阻机理研究等建议。