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.     

发动机引流推力矢量方案数值研究

针对从燃烧室引流喷射的推力矢量控制方案,采用数值模拟的方法进行流场计算与分析,比较了引流向喷管内喷射、向无弹翼的弹体外侧喷射和向有弹翼的弹体外侧喷射三种方案。数值模拟结果表明:向喷管内引流的侧向力与喷流位置和喷射角度相关,最大侧向力与轴向推力的比值与引流管喉部面积占总喉部面积的比值大致相等;向弹体外引流时,喷口附近的弹翼对流场有很大的影响,若没有弹翼,则侧向力放大因子小于1,不宜采用;弹翼对喷流侧向力起显著的增强作用,放大因子可达1.5或更高。     

超高空动升力翼飞艇的气动研究

对在超高空环境下的动升力翼 "X"形尾翼布局飞艇和常规飞艇进行了数值模拟,比较了两种外形在相同任务载荷下体积、质量以及气动力的大小,并分析了动升力翼绕流对尾翼的影响.研究发现,动升力翼 "X"形尾翼布局可以显著地减小飞艇的体积和质量,增加抗风能力并避免了动升力翼绕流对尾翼的直接干扰以及大的干扰阻力的形成.     

末敏子弹气动外形设计与气动特性分析

设计了一种轴向折叠尾翼的末敏子弹气动外形,给出了尾翼的布局方式。对设计的三片尾翼末敏子弹气动外形进行了风洞实验和数值模拟。实验和数值模拟结果表明:三片尾翼的末敏子弹增阻效果明显,并能够提供一定的滚转力矩。流场计算结果表明:流场随迎角的变化很大,且翼体干扰严重。对圆柱部弹身和尾翼的压力系数分析结果表明:尾翼的存在提高了圆柱部、尤其是圆柱部尾部的压力,弹体的存在降低了整个尾翼迎风面,尤其是翼根部的压力,这种翼体干扰现象对于提高末敏子弹的静稳定性有益。     

V形尾翼气动布局纵向力矩特性研究

针对某无人战斗机所采用的V形尾翼布局,通过求解N-S方程的数值计算方法,得到了上反与下反V形尾翼气动布局的纵向力矩值。对比分析结果表明,上反V形尾翼由于受翼身组合体产生的下洗和速度阻滞作用,随着迎角的增加力矩曲线有上翘现象,但随着马赫数的增加而减弱;下反V形尾翼布局力矩曲线的线性度良好。     

V尾飞机流动特点及静稳定性数值模拟研究

采用数值模拟方法对V形尾翼飞机开展流动特点与静稳定特性研究,并与常规尾翼飞机进行对比。计算结果表明,相对于常规尾翼,V尾的使用可较大幅度降低尾翼浸润面积,并提高后机身的升力贡献。V尾同时具有良好的纵向及横向稳定性,但航向稳定性不足。通过对流场的对比研究,发现V尾飞机的机身干扰导致两侧V尾侧向力及偏航力矩方向相反且相互抵消,会引起航向稳定性的损失。进一步分析表明,通过增加V尾上反角可有效提升V尾侧向力及偏航力矩,改善航向稳定性。     

超声速/高超声速来流中侧向喷流干扰流场数值模拟

针对姿态控制系统采用侧向喷流的小型固体运载火箭,开展超声速/高超声速来流中侧向喷流干扰流场数值模拟研究.通过数值求解三维可压缩Navier-Stokes(N-S)方程,模拟了侧向喷流干扰流场,分析了干扰流场结构,研究了攻角、高度、马赫数、侧喷发动机真空推力、喷口形状等因素对力/力矩放大因子的影响.研究结果标明,侧向喷流与来流相互作用,使流场结构十分复杂,存在激波、压力平台效应和环绕效应等干扰特性,攻角、高度、侧喷发动机真空推力等因素对力/力矩放大因子均存在不同程度影响.     

基于动态重叠网格方法的尾翼对螺旋桨滑流的影响

螺旋桨飞机产生的滑流会对其扫掠过的部件产生显著干扰,研究尾翼部件对滑流的影响有助于将滑流与尾翼的干扰进行解耦分解。采用动态重叠网格方法模拟螺旋桨定轴转动,通过求解三维非定常雷诺平均Navier-Stokes （URANS）方程,数值模拟了某螺旋桨飞机带尾翼构型的有/无滑流状态,通过试验结果对计算方法的正确性进行了验证。在此基础上,分别开展了有/无尾翼构型的滑流计算,结果表明：扣除尾翼气动力后,有/无尾翼的升阻力变化规律基本一致,俯仰力矩由于机身后体修形不同呈线性平移关系;对比有/无尾翼空间切面的速度分布云图、不同空间位置和拉力系数下的下洗角和侧洗角变化曲线,发现尾翼对滑流的影响仅局限在其周围,不同拉力系数下尾翼的干扰规律也基本类似。通过研究认为,在飞机初期设计和选型阶段,螺旋桨滑流与尾翼的相互干扰,可简化为滑流单向对尾翼产生影响,尾翼对滑流的影响可以忽略。     

前体涡非对称分离机理及前缘吹气控制研究

通过设计对称性算法,求解层流Navier-Stokes方程,数值模拟了细长体在低超声速情况下前体背风涡随攻角演化的规律,在此基础上,进一步研究了前缘吹气对前体涡演化和侧向力特性的控制机理.根据数值模拟结果及分析,倾向于支持在层流框架内,前体涡的非对称失稳是一种对流不稳定机制,要想根据需要产生对称或不对称的前体涡,就必须外加持续的扰动.在约16°～48°攻角区间内,前缘吹气可产生规律性较好的侧向力,有可能直接利用前体涡进行横侧向控制.为工程实用化,需提高前缘吹气的激励收益效费比.     

柔性扑翼全机气动结构耦合特性及稳定性研究

由于微型扑翼飞行器具有体积小、重量轻等特点,在飞行过程中会产生明显的柔性变形,因此在对扑翼气动特性进行数值模拟时,有必要考虑柔性变形的影响。基于结构动力学理论,发展了一种适用于扑翼全机气动结构耦合特性的数值模拟方法与一种适用于扑翼的结构动力学求解方法。方法利用哈密顿原理,对动能和应变能进行变分,进而得到扑翼动力学方程,采用结构有限元方法对运动方程进行离散并求解;采用基于嵌套网格的CFD求解器对微型扑翼全机非定常绕流进行数值模拟。采用CFD/CSD耦合求解器对微型扑翼飞行器全机气动结构耦合特性进行数值模拟,分析了结构变形对柔性扑翼气动特性的影响,并分别对扑动过程中刚性扑翼和柔性扑翼的压心变化范围进行研究,分析了结构变形对柔性扑翼稳定性的影响。     

Nonlinear flutter wind tunnel test and numerical analysis of folding fins with freeplay nonlinearities

The flutter characteristics of folding control fins with freeplay are investigated by numerical simulation and flutter wind tunnel tests. Based on the characteristics of the structures, fins with different freeplay angles are designed. For a 0° angle of attack, wind tunnel tests of these fins are conducted, and vibration is observed by accelerometers and a high-speed camera. By the expansion of the connected relationships, the governing equations of fit for the nonlinear aeroelastic analysis are established by the free-interface component mode synthesis method. Based on the results of the wind tunnel tests, the flutter characteristics of fins with different freeplay angles are analyzed. The results show that the vibration divergent speed is increased, and the divergent speed is higher than the flutter speed of the nominal linear system. The vibration divergent speed is increased along with an increase in the freeplay angle. The developed free-interface component mode synthesis method could be used to establish governing equations and to analyze the characteristics of nonlinear aeroelastic systems. The results of the numerical simulations and the wind tunnel tests indicate the same trends and critical velocities.     

混合网格方法在栅格翼数值模拟中的应用研究

栅格翼是采用一种蜂房结构设计的升力面和控制面,和传统舵面相比具有铰链力矩小、能在较大攻角下保持升力等特点,并得到了越来越广泛的应用。由于栅格尾翼的特殊结构,网格生成具有很大的难度。本文采用了结构、非结构混合网格的办法,在弹体和栅格翼的物面附近区域,生成适合粘性计算的大长宽比的结构网格,弹体网格和栅格翼网格之间采用非结构网格进行填充,满足非结构网格和结构网格交接面的完全对接。本文基于结构/非结构网格体系采用有限体积方法求解NS方程,对不同舵偏角下的栅格翼构形进行了数值模拟,并通过实验结果对数值方法进行了验证。     

消除小展弦比尾舵大舵偏非对称流动现象的方法研究

在前期的风洞试验结果中已经证实,跨声速条件下,俯仰舵偏角增大到一定程度时,呈开口布局的一对尾舵形成的翼尖涡会相互干扰,使得两侧的翼尖涡强度不同,形成非对称流动现象,进而使全弹产生较大的横侧向气动力,对尾舵的控制能力提出了挑战,需要开展消除非对称流动的方法研究。本文基于数值模拟方法对非对称流场随舵偏角的变化进行了研究,并对该非对称流动现象产生的机理进行了分析,基于此,在保持舵面效率不降低的情况下开展了消除非对称流动现象的方法研究。研究结果表明,随着舵偏角的增加,呈开口布局一对尾舵的翼尖涡距离逐渐减小,翼尖涡由弱的不对称性,逐渐发展直到其中的一侧翼尖涡消失,研究结果还表明通过尾舵前缘局部切角和降低尾舵根弦长的方法在保持尾舵效率不降低的情况下,能够有效消除非对称流动现象,对类似布局设计具有指导意义。     

不同尾翼灵巧子弹气动特性实验研究

从无伞灵巧子弹稳态扫描的必要条件出发,设计了轴向折叠和径向折叠两种尾翼类型的子弹气动外形。设计了模型和实验装置,进行了小迎角低速风洞实验。获得了模型在固定和旋转条件下的气动力数据,测量了模型在气动力作用下的转速,对模型的稳定性进行了分析。实验结果表明：模型采用轴向折叠尾翼,能够设计足够有效的迎风面积和增阻效果良好的翼面形状,维持较为稳定的转速,具有良好的旋转稳定性;采用径向折叠尾翼的模型,增阻效果不明显,稳定旋转能力较差。实验结果为无伞灵巧子弹的设计提供了重要参考。     

基于全局灵敏度分析的侧向气动导数不确定性对侧向飞行载荷的影响

考虑飞行载荷计算中使用的气动导数存在不确定性,利用基于方差的全局灵敏度分析(GSA)方法,结合偏航机动的动力学模型,分析了侧向气动导数不确定性对侧向飞行载荷的影响。以某型飞机为例,运用该方法得到侧向气动导数的全局灵敏度排序。结果表明:侧滑角、阻尼贡献的垂尾侧向载荷及垂尾侧向总载荷受全机侧力系数对侧滑角导数的影响最大,受航向静稳定导数及方向舵操纵效能的影响次之;方向舵偏度贡献的垂尾侧向载荷只受全机侧力系数对方向舵偏度导数的影响;无尾飞机侧向载荷主要受航向静稳定导数、方向舵操纵效能及无尾飞机侧力系数对侧滑角导数的影响;偏航阻尼导数基本不影响各侧向飞行载荷。同时也验证了方法的有效性,对提高飞行载荷的计算精度有一定的指导意义。     

结构/非结构混合网格数值模拟栅格翼

为了详细了解栅格翼内部的流动特性,设计满足飞行器性能要求的栅格翼,本文开展了多种不同单栅格外形的气动特性数值计算,对单个栅格的外形进行了初步选型研究;然后采用结构网格、结构与非结构混合网格求解NS方程,对带有两片栅格翼的导弹进行了数值模拟,结构网格计算结果与结构非结构混合网格计算结果一致,并与国外文献的计算结果和风洞试验结果进行了对比,三者的结果吻合较好.采用混合网格比结构网格的网格规模小许多,可以节省大量计算机内存和计算时间,是一种比较好的栅格翼数值模拟方法.     

航空发动机燃油雾化特性研究进展

从实验、理论和数值模拟三个方面对航空发动机内的燃油雾化问题研究进展进行了综述。实验方面,通过雾化实验,可定性分析喷注参数及环境条件等因素对雾化效果的影响,测量技术是影响实验精度的关键;雾化理论对液膜形状及破碎特性的预测值与实验还存在一定误差,复杂气动条件下的雾化理论还较为缺乏;雾化数值模拟可以获得不同形式燃油雾化的某些典型变化过程,复杂多过程、多因素影响的雾化模拟还较难开展。总体上看,航空发动机燃油雾化机理还未能完全揭示。     

起落架四点布局无人机地面运动研究

以国内某四轮无人机为研究对象,在考虑摩擦力、侧向力和角速率等各种因素的情况下,全面分析研究了四轮无人机地面滑跑时的运动特点和受力情况,建立了六自由度刚体飞行器地面运动的动力学方程和运动学方程。在此基础上,对全量非线性模型进行了起飞、着陆时地面运动的仿真,该仿真结果表明了系统模型的正确性。     

对称交叉激波和湍流边界层相互作用的数值研究

针对两种双尖鳍外形的对称交叉激波与湍流边界层相互作用,采用N-S方程和两种湍流模型进行了计算。研究了网格收敛性、鳍的角度和湍流模型对壁面压强、Stanton数和壁面摩擦力线的影响。弱相互作用的计算结果较好,强相互作用的壁面压强和摩擦力线的计算结果与试验吻合较好,而Stanton数的计算结果较差,峰值高达试验的2.5倍左右。随着鳍的角度的增加,壁面压强和Stanton数的分布从单调分布发展为M型分布,两者的峰值不在相同的位置。湍流模型对壁面压强和壁面摩擦力线影响很小,对Stanton数计算的影响很大,SST模型比BSL模型表现好一些。