基于线性稳定性理论的转捩控制试验

 使用线化稳定性理论研究了某后掠机翼试验模型在风洞试验条件下可能的试验结果。在当前试验条件下,三维边界层中横流驻波的不同波长扰动发展趋势不同,根据理论分析和数值计算给出了最大放大率波长为4.0 mm。通过升华法试验验证了理论分析与数值计算结果。在试验中使用丝网印刷技术在后掠机翼前缘添加粗糙带,成功地引入了理论计算的最大放大率波长。根据预期影响了三维边界层的转捩。     

后掠机翼横流驻波及其谐波研究

使用Mack方法求解三维不可压Orr-Sommerfeld方程（忽略曲率影响）,得到模型在风洞最佳实验条件下空间最大放大率展向波长为4mm。以此为基础,选择大于此波长的具有代表性的展向扰动波长6mm与7mm,计算了这两个驻波及其谐波空间的放大率。研究在整个层流区主导流动的扰动波长及其发展趋势。使用丝网印刷的方式,在后掠机翼前缘添加粗糙带,人工引入6mm与7mm驻波,通过升华法验证了计算与理论分析。     

后掠翼边界层横流不稳定性的实验研究(英文)

在西北工业大学的低湍流度风洞中,采用升华法研究有无粗糙带情况下,45°后掠翼三维边界层内的横流驻波不稳定性及其转捩模式。在未引入人工粗糙带,雷诺数为5.50×105~1.65×106范围内,模型的转捩分界始终为位于最小压力点之后的一条直线,转捩由T-S波触发。当Re≥1.38×106时,对应最不稳定横流驻波的3.5~4.0mm条纹出现在转捩的上游区域,条纹间距与线化稳定性理论的结果吻合。当Re=1.65×106时,实验证实了横流驻波扰动对前缘粗糙度的极度敏感。考虑到抑制最不稳定横流驻波就很有可能抑制后掠翼飞行器上由其主导的转捩,在机翼前缘布置不同间距的粗糙带,研究其对边界层内横流驻波的影响。当Re=1.38×106时,2.5mm间距的粗糙带有效的抑制了3.5~4.0mm最不稳定驻波,该现象为后掠翼上的转捩控制技术提供了一条新思路。此外,当6.0mm、7.0mm和8.0mm的粗糙带被引入时,条纹间隔表现为3.0mm、3.5mm和4.0mm的谐波波长。     

基于线化稳定性理论的后掠翼边界层内横流稳定性研究

采用Mack方法求解忽略曲率和压缩性的三维线化稳定性方程（Orr-Sommerfeld方程）,针对无限展长后掠翼,计算分析边界层内不同波长横流驻波沿弦向的放大率,确定最不稳定波的波长。计算结果与参考文献中的实验结论和计算结果符合较好,表明该方法能够准确的预测出最不稳定波的波长,可以用来指导横流驻波主导下的后掠翼流动稳定性问题研究。     

粗糙带起始位置对旋成体绕流过临界雷诺数模拟效果的影响

使用低速闭口风洞,对头部带有确定人工扰动的尖拱型旋成体,在模型两侧θ=±52.5°粘贴条状粗糙带的条件下,粗糙带的轴向起始位置在x/d=0.75之前变化,固定迎角为40°,在雷诺数ReD=0.67～9.4×105变化范围内,通过表面测压研究粗糙带起始位置对模拟过临界Re数下旋成体绕流的影响.结果表明大迎角下,人工转捩带的轴向起始位置会影响到头部部分截面的压力分布,但对后体的影响很小.粗糙带的起始位置越靠后,所受影响的轴向位置越远.通过分析得出粗糙带起始位置与受影响的轴向位置x/D之间的关系曲线,由此确定模拟过临界雷诺数下流动时合适的粗糙带起始位置.     

粗糙带对细长体大迎角流动非对称性的影响

通过模型表面压力分布测量和表面油流图谱显示等试验手段,在低湍流度风洞中探讨了模型头部不同形式的粗糙带对细长体大迎角条件下流动非对称性的影响.结果表明:"条型"粗糙带可以有效改善流动非对称性、降低当地侧向力;"环型"粗糙带可以改善模型表面的分离状态,但是却增强了流动非对称性;"条型 环型"粗糙带对于表面流谱的影响较为复杂.但是这些形式的粗糙带都不能完全消除流动非对称性所产生的侧向力.试验结果还展示出了大迎角状态下,流动非对称性的存在形式与表现特征.     

后掠机翼人工转捩最佳粗糙带高度数值预测

介绍了基于当地变量的γ-Re_θ转捩模型,并将该模型应用到后掠机翼的转捩预测和人工转捩最佳粗糙带高度以及人工转捩技术能够模拟的大气飞行雷诺数的确定中。为检验γ-Re_θ转捩模型对后掠机翼转捩的预测能力,对ONERA M6机翼和DLR-F4标模机翼进行了边界层转捩预测,采用结构化网格和有限体积法求解雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程,得到了机翼表面的摩擦阻力系数分布,从而可以得到相应的转捩位置,预测得到的转捩位置与试验结果比较吻合,说明该模型对后掠机翼转捩预测是可信的。最后在DLR-F4标模机翼上表面固定了粗糙带,通过相同的方法得到了转捩位置,从而确定了马赫数为0.785、雷诺数为3.0×10⁶时最佳粗糙带高度为0.11 mm;通过不断增大雷诺数使自由转捩位置不断向前缘移动,验证了人工转捩对大气飞行雷诺数的模拟能力。结果表明,在最佳粗糙带高度为0.11 mm下,可以实现对大气飞行高雷诺数的模拟。     

关于驻波能量的图示法分析

为了使学生更好地理解驻波的能量只在局部区域内流动、没有沿某一固定方向传播这一重要特点,在驻波的能量教学过程中,首先推导出驻波的波腹和波节处媒质质元的能量表达式,再尝试采用图示法定性分析驻波相邻的波腹和波节之间的能量相互转换。图示法具有形象直观、学生易于理解的优点。     

速率积分半球谐振陀螺测试方法探讨

针对速率积分半球谐振陀螺测试精度与使用精度不一致的问题,深入研究了速率积分模式下半球谐振陀螺误差的基本特性,指出造成上述问题的主要原因为现有测试方法仅考虑了振动驻波在固定工作点时陀螺零偏的稳定性,而未考虑驻波在不同工作点时陀螺零偏的一致性。进一步提出,应基于“如何用,即如何测”的思想,采用全周向的方式考核速率积分半球谐振陀螺的零偏和标度因数性能,提出了相应的测试方法或思路并进行了验证。     

横肋粗糙元地表的风场阻力特征研究

使用雷诺应力模型(RSM)模拟横肋粗糙元地表的风场，将粗糙元横截面的高宽比 h/b、粗糙元间距宽度比w/b 以及间距高度比 w/h 作为粗糙表面的特征参数，利用数值方法定量研究了粗糙表面阻力随粗糙元密度的变化规律以及粗糙元横截面尺寸改变对阻力的影响。研究结果表明：粗糙元横截面尺寸改变不影响粗糙表面阻力随粗糙元分布密度的变化规律，粗糙元的间距高度比 w/h 是横肋粗糙表面的关键特征参数，且粗糙表面的平均总阻力在 w/h=7时取得最大值。     

壁面的表面粗糙度引起的Stokes层亚临界不稳定性

用数值模拟的方法研究了二维壁面的表面粗糙度下Stokes层的非线性亚临界不稳定性问题.发现当粗糙度高度极小时,响应系数曲线与线性情况就会产生较大偏离.随着粗糙度高度的增加,扰动1阶谱会出现亚谐波的成分,粗糙度高度的进一步增加使扰动1阶谱进入混乱阶段,显示出亚临界失稳的过程.根据粗糙度高度与扰动1阶谱演化的特征关系,定义了临界粗糙度高度,并给出临界粗糙度高度与雷诺数的关系曲线.结果表明:临界粗糙度高度随着雷诺数增大而减小.雷诺数为300左右时,微米量级的粗糙度高度就可能引起Stokes层的亚临界失稳,发生转捩,由此也可以给出实验中观测到的转捩通常都发生在雷诺数为300附近的原因.      

分布式粗糙度对马赫数为4.5的平板边界层稳定性的影响

采用数值模拟求解Navier-Stokes(N-S)方程的方法研究了小幅值分布式粗糙度对马赫数为4.5的平板边界层中扰动演化的影响.用泰勒展开线性化的办法将边界条件取在光滑平板壁面上,来模拟小幅值分布式粗糙度.研究了粗糙度及扰动的不同因素对边界层扰动演化的影响,其中包括粗糙度高度、波长、粗糙度区域的长度及扰动波频率等.研究结果表明:分布式粗糙度通过改变边界层基本流场影响扰动波的幅值演化,一定幅值的分布式粗糙度会使粗糙度区域前的不稳定区向低频移动,使粗糙度区域后的不稳定区向高频移动.从总体效果上看,对于通过粗糙度时,靠近中性曲线下支界相对低频的扰动,粗糙度会抑制其幅值的增长;对于靠近中性曲线上支界相对高频的扰动,粗糙度会促进其幅值的增长.      

用转捩模型预测转捩及确定最佳粗糙带高度

采用SST k-ω二方程湍流模型,附加γ-Reθ转捩模型对不同迎角下的NACA0012翼型绕流进行了转捩预测,计算预测的转捩位置与实验结果符合较好,说明γ-Reθ转捩模型对转捩位置具有较好的预测能力。进一步用模型对带有粗糙带的翼型进行转捩预测,获得了不同雷诺数下刚好激发转捩又不引起过大局部压力扰动和附加阻力的最低粗糙带高度,对固定转捩风洞实验有指导意义。     

Numerical and experimental investigation into hypersonic boundary layer transition induced by roughness elements

In this work, the Direct Numerical Simulation(DNS) and Oil-Film Interferometry(OFI)technique are used to investigate the hypersonic boundary layer transition induced by single and double roughness elements at Mach number 5. For single roughness, the DNS results showed that both horseshoe vortices and hairpin vortices caused by shear layer instability can affect the boundary layer instability. The generation of the near-wall unstable structure is the key point of boundary layer transition behind the roughness element. At the downstream of the roughness element, the interaction between horseshoe vortices and hairpin vortices will spread in the spanwise direction.For double roughness elements, the effect of the spacing between roughness elements on the transition is studied. It is found that the case of higher spacing between roughness elements is more effective for inducing transition than the lower one. The interaction between two adjacent roughness elements can suppress the evolution of horseshoe vortices in the downstream and trigger the instability of shear layer. Thus, the transition will be suppressed accordingly.     

表面粗糙度对航空液压作动器密封性能的影响

航空液压作动器普遍应用在飞机机翼、舱门、起落架等部位,往复密封为其典型密封形式,密封失效会 严重影响飞机任务的执行和飞行安全。密封副表面粗糙度是重要的工程可控参数且对于密封性能的影响很 大,因此分析表面粗糙度对作动器密封性能的影响具有重要的理论和实际意义。建立适用于往复组合密封的 确定性混合润滑数值仿真模型,并与有限元分析方法结合计算膜厚值,分析密封圈表面粗糙的幅值和波长变化 以及运动速度和液压油黏度变化对密封圈润滑性能和密封性能的影响。结果表明:正弦粗糙表面的幅值和波 长增大,会引起油膜压力和油膜厚度波动的幅值增大,但会减小摩擦系数;正弦粗糙表面的幅值增大,有利于减 小密封间隙的最小膜厚和泄漏量,但是波长变化的影响作用不大;液压油黏度和活塞运动速度增大,有利于增 大密封间隙油膜厚度,但会增大泄漏量和摩擦系数。     

FBG传感器在微尺度计量中应用的前景

基于作者先前的实验数据和目前用FBG进行动态应力测量研究的实验，提出了把FBG传感器应用于微尺度计量领域的新概念，并展示了FBG在微尺度计量中应用的前景；简述了温度和应力同时测量的技术应用于分离和消除温度漂移的干扰；总结了动态应力产生布拉格波长偏移的解调装置并提出用其实现微尺度计量所需要的高分辨力的布拉格波长解调方法。     

粗糙元诱导的高超声速转捩机理及应用

采用直接数值模拟（DNS）方法细致刻画了不同类型粗糙元诱导的高超声速边界层从层流到湍流的转捩过程,从拓扑结构稳定性和边界层流动稳定性两个角度分析了不同类型粗糙元诱导转捩的机理。通过对不同类型粗糙元诱导转捩机理的研究,设计了一种对齿型粗糙元,其具有小尺度、低摩阻、低热流、诱导转捩能力强的特点。研究发现不同类型的粗糙元底部区域均存在鞍点-结点-鞍点（SNS）型轨线,在扰动的作用下其会形成非定常、非对称的振荡结构。同时针对斜坡型以及对齿型粗糙元的工程应用开展了研究,验证了不同类型粗糙元诱导转捩的机理,为强制转捩装置设计提供了基础理论支撑。