高速冲压推进弹丸气动特性仿真分析

针对设计马赫数为4的冲压推进弹丸,采用数值仿真手段,分析了设计马赫数下进气道的工作特性.对被动段飞行的弹丸内、外部气动阻力进行了数值计算,分析了不同飞行马赫数条件下的弹丸气动阻力的变化.研究结果表明:设计马赫数下,冲压推进弹丸的进气道具备再起动能力,进气道亚临界状态最大总压恢复在0.25左右;在弹丸飞行的被动段,随着飞行马赫数从4降低到3,弹丸内部气动阻力系数几乎保持不变,在0.06左右;外部气动阻力系数由马赫数4下的0.16增加到马赫数3下的0.21,弹丸总的气动阻力系数由马赫数4下的0.23增加为马赫数3下的0.27.外部阻力中,摩擦阻力占约20％;内部阻力中,摩擦阻力占40％左右.     

类X?47B无人机菱形编队气动干扰数值模拟

设计了一种由4架类X?47B飞翼布局无人机（UAVs）组成的菱形编队。通过求解RANS方程的数值模拟方法,研究了菱形编队无人机气动干扰问题,详细分析了影响机理,定量给出了编队减阻效果。计算结果表明:头机气动性能基本保持不变。两侧僚机受上洗气流影响,其减阻效果明显。尾机主要受下洗气流影响,其阻力增大,对编队久航和远航不利。在重力配平条件下,两侧僚机飞行阻力的减小是由攻角减小和诱导阻力减小共同引起的。尾机在编队中飞行阻力的增大主要是攻角增大带来的阻力增加,诱导阻力增大仅带来了20%的阻力增量。从减小下洗气流对尾机的不利影响出发,对不同垂向间距的尾机升阻特性进行了研究,并参考雁群头鸟变换行为机制,给出了无人机菱形编队飞行建议。      

超声速溢流条件下二元超声速进气道附加阻力计算

通过几何关系导出了单楔、双楔和三楔超声速进气道在零攻角及有攻角时的附加阻力系数计算公式,并进一步得出了N-1楔进气道的附加阻力系数计算通用公式.通过算例研究分析了飞行马赫数、飞行攻角及进气道总转角对附加阻力的影响.分析表明,进气道在超声速溢流条件下,附加阻力只同飞行马赫数、攻角及各楔面转角有关;附加阻力随飞行马赫数增加而减少,随攻角及进气道外压缩面总转角增大而增大;对于加速爬升用冲压发动机而言,设计时应注意减少附加阻力,并结合弹道、气动外形合理选择攻角.     

带升力风扇飞翼布局无人机过渡飞行气动特性研究

带升力风扇飞翼布局无人机除了具备飞翼机的优点外,还兼具短距/垂直起降功能,研究其过渡飞行阶段的气动特性是建立其飞行动力学模型的基础。对带升力风扇飞翼布局无人机的过渡飞行阶段进行气动仿真,分析升力、阻力和力矩随速度和迎角变化的特性,并在某定常流下对该布局飞机的流动机理进行研究,针对气流分离提出控制方法。结果表明:来流速度增大时,升力值持续增大,阻力增加,低头力矩增大;在相同来流速度下,迎角增大,升力随之增加且外段翼是其升力的主要来源,阻力先减小后增大,较常规平飞状态下有较大的抬头力矩;控制气流分离的两种改进方法是有效可行的。     

RBCC-RKT两级入轨飞行器飞行轨迹优化方法

针对火箭基组合循环（RBCC）发动机比冲和推进剂质量流量随飞行条件改变而不断变化的特点,提出了通过增广拉格朗日遗传算法优化飞行器飞行轨迹的方法,在飞行器气动参数和发动机比冲已知、最大飞行动压给定等条件下,进行了火箭基组合循环发动机-液体火箭（RKT）发动机推进的水平起飞两级入轨（TSTO）飞行器飞行轨迹优化计算。研究结果表明：在飞行俯仰角和发动机推进剂质量流量变化范围已知的情况下,利用该方法能够在较好满足给定约束条件的情况下,优化得到飞行俯仰角和发动机流量随时间的变化关系,为飞行轨迹初步设计提供参考。     

脉冲爆震发动机气动阀阻力特性

利用风机出口速度模拟脉冲爆震发动机(PDE)的不同飞行状态,采用力传感器研究不同进气动压(飞行速度)下,气动阀关闭和开启时PDE的阻力。试验表明:PDE阻力随进气动压增加线性增加,与飞行速度成平方关系。气动阀关闭时阻力最大,对不同结构型式的气动阀,在其开启时阻力不同。PDE爆震室装扰流器时阻力增加,不同气动阀在装同种扰流器时,其对PDE的阻力影响程度不同,安装整流栅有利于降低阻力。试验结果在保证PDE正常工作和产生一定推力的条件下,对研究减小PDE阻力和提高有效推力及预估高速飞行时的阻力有重要参考价值。     

合成双射流逆向吹吸控制对翼型流动特性影响

为探究合成双射流(Dual?Synthetic?Jets,DSJ)技术对飞行器航向姿态的控制能力,采用数值模拟的方法,研究了反向DSJ对小攻角、大攻角下翼型绕流流场的控制机理及气动控制特性,并通过飞行试验验证了其航向姿态控制能力.结果表明:小攻角下,反向DSJ会使阻力增大,升力略有减小,俯仰力矩基本不变;大攻角下,反向DSJ会使升力、阻力及低头力矩增大.小攻角下施加控制后,激励器出口前由于射流的阻挡作用形成高压区,伴随着流向逆压梯度的增加,分别在两个出口后形成准定常低压回流区,致使前后压差阻力增大,但压力包络面积基本不变,故升力变化不大;大攻角下施加控制后,除了会在射流出口前、后分别形成高压区、低压区外,还会使背风面流动提前分离,扩大分离区域面积,同时也会减小分离区内的压力值,扩大压力包络,增大阻力的同时,也会提升升力.飞行试验结果表明,反向DSJ具有对飞行器巡航时航向姿态的控制能力,可实现的最大偏航角速度为9.01°/s.     

基于沉浸边界法的二维拍动翼数值模拟

运用沉浸边界法对二维拍动翼流场进行了数值模拟,系统地分析了最大俯仰角、拍动频率和升沉俯仰运动的相位差等参数对拍动翼流场的影响.结果显示:当达到一定条件时,尾流出现反卡门涡街,使机翼得到正的推力而产生逆流前行的趋势.在本文的研究范围内发现,拍动翼的平均推力系数随最大俯仰角的增大先增大后减小,随着频率的增大而增大,同时,拍动翼的推进效率随最大俯仰角的增大而增大,随拍动频率的增大而减小,且当升沉俯仰运动的相位差在90°～100°之间时,存在着最大推进效率.本文所得结果为进一步研究鸟类飞行和鱼游等仿生力学提供了理论基础.     

激光等离子体点源减阻技术中入射能量对气动阻力的影响

数值模拟了来流马赫数为5时的圆球绕流冷流场,以及来流与头部驻点附近注入激光能量而产生的等离子体相互耦合形成的流场的演化过程。计算结果表明:施加局部能量点源能够改变原有的弓形激波结构,使其变为斜激波,从而减小气动阻力;气动阻力随入射激光能量的增大而逐渐减小,当入射激光能量为1.1 J时,气动阻力减小的百分比高达40%。     

风雨对飞机飞行安全性的影响

风雨严重影响飞机的飞行安全。基于动量定理建立了一种根据降雨条件、风场特性、飞机特征和飞行状态计算雨滴对飞机产生的撞击力和力矩的方法,研究了风雨对飞机气动特性的影响,进而建立了飞机在风雨中飞行的运动方程。通过引入驾驶员的操纵模型,对飞机在风雨中飞行的运动特性进行了数值仿真研究。仿真结果表明:降雨会使飞机的升力减小,阻力增大,平衡迎角增加,不利于飞机的飞行安全;当降雨过程中伴随有风时,风会改变飞机的飞行迎角,使得飞机更容易出现因失速而造成的飞行事故;降雨时飞机的抗风能力降低。     

带单锥和双锥混压式进气道的冲压增程弹丸气动特性仿真分析

针对带单锥和双锥混压式进气道的两种冲压增程弹丸,对比分析了单、双锥混压式进气道的特点。采用仿真手段,对弹丸外部气动阻力和进气道工作特性进行了数值计算,分析了不同飞行马赫数条件下的弹丸外部气动阻力的变化、进气道临界状态下的总压恢复、捕获流量特性,并分析讨论了进气道的起动特性。研究结果表明:在飞行马赫数2.65到1.75之间,两种冲压增程弹丸的外部气动阻力几乎相同;在飞行马赫数1.75下,两种冲压增程弹丸进气道均能够起动;在低于设计马赫数时,进气道临界状态下,单锥进气道的捕获流量和总压恢复特性均优于双锥进气道,冲压增程弹丸采用单锥进气道将更为合适。     

变转速旋翼气动特性分析及试验研究

直升机旋翼以固定不变的转速工作,仅能使有限状态的旋翼效率达到最优,而通过旋翼转速的变化,可以实现不同飞行状态下的旋翼效率最优.为了研究不同旋翼转速时的旋翼气动特性,首先建立了适合旋翼在低转速飞行情况下的气动特性分析模型,该模型包含了Leishman-Beddoes非定常动态失速模型与适合于低马赫数(Ma＜0.3)分析的Sheng失速修正模型;其次,在低速风洞2.5m旋翼模型试验台上试验研究了模型旋翼的悬停效率及前飞需用功率与旋翼转速之间的关系.试验与计算结果的对比表明:所建立的气动分析模型能够准确地计算旋翼在低转速情况下的气动特性;通过优化旋翼转速,增大了桨叶剖面迎角,提高了桨叶剖面的升阻比;并且当旋翼以最优转速旋转时,模型旋翼的悬停效率最大可以提高32％,前飞需用功率最大可以降低22％.     

一种可变形跨介质航行器气动/水动特性分析

由于海水和空气物理性质存在巨大差异,航行器很难以单一外形满足在两种环境下的航行要求.为此,提出一种通过改变外形来实现水空介质跨越的航行器,并通过计算流体力学对其空中和水中两种外形的气动/水动特性进行研究.仿真结果表明,通过改变外形,航行器能够同时满足水下航行和空中飞行的要求.水下航行时,航行器在较小的仰角范围内通过收缩机翼减小阻力;空中飞行时,通过展开机翼增大升力.     

侧向喷流对超声速流动中支杆减阻降热特性影响的研究

为研究超声速流动中支杆侧向喷流的减阻降热特性,基于有限体积法求解非定常雷诺平均Navier-Stokes方程组,采用3阶MUSCL重构方法,AUSMPW+通量分裂格式,k-ωSST湍流模型并耦合求解固相热传导方程,编制了计算程序并利用相关实验验证了数值方法的可靠性。在此基础上,研究了侧向喷流总压和位置对超声速流动中支杆减阻降热特性的影响,得到了壁面St数、壁面压力及气动阻力的变化规律并考察了壁面热流随时间的动态变化过程。研究结果表明:当侧向喷流位置一定时,侧向喷流总压的增大将进一步提高减阻降热性能;当侧向喷流总压不变时,随着侧向喷流位置向钝体壁面靠近,减阻降热性能明显变差,尤其当侧向喷流总压较大时,阻力增长幅度接近50%。当侧向喷流位置离开支杆底部时,气动阻力对侧向喷流总压的变化较为敏感;随着时间的推进,壁面热流密度呈现下降趋势,在2s内壁面热流密度最大降幅达到49.5%,但热流密度沿壁面分布规律未发生变化。     

褶皱结构对蜻蜓后翅的气动特性影响分析

褶皱结构是否能对蜻蜓后翅气动性能产生正面的影响,对蜻蜓后翅气动性能的影响是否与雷诺数(Re)相关。建立接近真实蜻蜓后翅的三维蜻蜓后翅褶皱模型和拥有同样外形的三维平板模型,利用计算流体力学方法分别计算两个模型在不同Re、不同攻角(α)下滑翔飞行时的气动特性。结果表明:褶皱结构的存在会明显提高蜻蜓后翅的升力,但是同时也会增大其阻力;不同Re情况下,褶皱结构对蜻蜓后翅气动性能的影响不同,当Re=1 000,α=0°～25°时,蜻蜓后翅的气动效能始终略优于三维平板;褶皱结构对蜻蜓后翅气动特性的影响与α也相关,α较大时蜻蜓后翅的气动效能略优于三维平板。     

未来的先进动力装置

30年后,宇航员驾驶核聚变动力的宇宙飞船以3个月就可以绕火星往返一次.稍后,将会发射第一艘以反物质驱动的可飞行50年的探测器.这是NASA先进推进研究计划中的两个雄心勃勃的设想,并由一个授命从事发展21世纪推进概念的小组在研究.NASA的计划人员和工程技术人员一致认为,未来的许多宇宙飞行任务,包括载人的火星飞行,化学火箭是不能胜任的.化学推进存在的主要问题,一是太重,二是能量低.化学推进剂的比冲(推进剂排气速度的衡量尺度)约4.5km/s,最大极限约8km/s.     

仿鸟柔性扑翼气动特性与能耗的数值研究

建立了适当的三维仿鸟柔性扑翼模型,并以配平重力和平衡阻力为条件,数值计算了它的低雷诺数非定常流场.研究揭示了翼面初始扭转角度、动态俯仰幅度等重要设计参数与飞行性能的关系,表明扑翼平面的初始扭转程度、扑翼柔性材料的选择以及两者之间的合理搭配对扑翼机的成功飞行至关重要.研究分析了仿鸟扑翼的流场涡结构、升力推力产生原理,下扑过程附着上翼面的前缘涡是升力产生的重要机制.对扑翼气动功率的比较分析也发现,人造扑翼机需要的气动功率明显高出同等大小的鸟类,在效率方面尚不及扑翼飞行生物.     

固体火箭超燃冲压发动机理论性能分析

基于布雷顿循环,考虑燃烧产物的离解,针对固体火箭超燃冲压发动机工作过程进行了建模研究,开展了发动机理论性能分析,研究了飞行参数、燃料种类对发动机性能的影响,探究了超燃冲压发动机的工作极限。结果表明：固体火箭超燃冲压发动机的性能随着飞行马赫数的增大和飞行高度的升高而下降;当工作当量比增大时,质量比冲和体积比冲均下降,但比推力逐步上升;当工作空燃比增大时,比推力下降,但质量比冲和体积比冲均逐步升高。燃料种类对发动机性能有显著影响,在空燃比5～27的范围内,固体推进剂的体积比冲存在明显优势,但比推力和质量比冲不及氢气和煤油。相比于氢气和煤油,采用硼基固体推进剂作为燃料的超燃冲压发动机可以在更宽的飞行马赫数范围内工作,预示着固体火箭超燃冲压发动机宽包络飞行的潜力。     

基于S形进气道的全机溢流阻力数值仿真

为了获得采用复杂进气道飞机全机溢流阻力产生的原因及影响溢流阻力的因素,以采用基于S形进气道的无人机为研 究对象,对全机所受的气动阻力进行了分析,并给出数值计算方法;建立了带S形进气道模型的全机阻力求解方案,包括计算网格 及计算设置等;选取无人机某架次空中停车状态为研究对象,对进气道出口的总压恢复系数分布及溢流阻力进行计算,并与缩比 模型测压风洞试验结果及飞参辨识所获得的溢流阻力进行对比,验证了数值方法的可行性;针对流量系数、马赫数、迎角及侧滑角 对溢流阻力的影响进行分析,结果表明：当流量系数减小时,进气道内外的压力差及S形内管道的弯曲引起的逆压梯度变大,使得 捕获流管变细,从而导致附加阻力和溢流阻力均增大;当飞行马赫数增大时,发动机需求的流量增加,从进气道溢出的气流减少, 导致溢流阻力减小。从而确定对溢流阻力影响较大的2个主要因素为流量系数和马赫数。     

内外流耦合对分布式涵道风扇影响的机理

内外流耦合效应对分布式涵道风扇的气动性能有显著影响。为了进一步揭示分布式涵道风扇部件在爬升、巡航过程中内外流耦合效应对气动性能和流动机理的影响规律,通过三维RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)数值、试验方法对该问题进行详细探讨。结果表明:不同飞行状态中转子叶片和唇口壁面对风扇推力影响显著。随着无量纲质量流量率的提高,转子进气方向由负迎角往正迎角改变,推力系数增加。爬升时存在最佳进气迎角,气动效率最高。巡航状态的唇口摩擦阻力最小,推进效率最高。过大或过小的无量纲质量流量率会使得唇口的摩擦阻力和压差阻力增大,从而降低推进效率。