一种微气泡型MEMS作动器研究

设计了一种基于MEMS技术的微气泡型作动器,将微作动器布置在NACA0012翼型和三角翼机的前缘上,利用Fluent进行数值模拟,结果表明微作动器可以改变机翼前缘附体流的流动状态,提高翼型升力系数,改变三角翼机前缘流动状态,利用微作动器可以成功进行流动控制。     

俯仰三角翼的流态及结构

本文对俯仰三角翼的流动特性进行了实验研究，给出了俯三角翼的截面流态特点，对三角翼俯仰 运动的流动机理进行了分析。     

高阶精度格式WCNS在三角翼大攻角模拟中的应用研究

采用5阶精度的加权紧致非线性格式(WCNS-E-5)数值模拟了65°三角翼的大攻角绕流流场,主要目的是考核高阶精度格式WCNS在大攻角旋涡流动方面以及跨声速流场的激波附面层干扰、涡破裂位置的模拟能力,重点研究不同网格规模和湍流模型对尖前缘三角翼涡系之间的相互作用的影响。通过求解任意坐标系下的雷诺平均N-S方程,采用5阶精度的加权紧致非线性格式(WCNS-E-5)和多块对接结构网格技术,两种湍流模型分别是一方程SA和两方程SST湍流模型,在与相应试验结果对比的基础上,详细研究了WCNS-E-5格式在跨声速大攻角旋涡流动中的表现,以及不同网格规模、两种湍流模型对主涡二次涡相互作用、涡破裂位置和表面压力分布的影响。本文的研究结果表明,高阶精度格式WCNS-E-5能成功应用于三角翼的跨声速大攻角流动,网格规模的增加进一步提高流场分辨率,SST湍流模型相对SA湍流模型在三角翼大攻角流动中具有更好的适用性。     

上仰三角翼的流动与频率特性

在水洞和风洞中分别完成了上仰三角翼的流动显示和动态测压试验,目的是研究上仰-停止三角翼的流动和频率特性。水洞中的流动显示试验结果表明,在不同的上仰迎角范围和不同的简化频率k值下,三角翼前缘涡破裂点的位置变化是不相同的。通过分析在风洞中测得的三角翼做上仰运动时的压力信号的结果表明,在破裂涡区中,在相同的名义迎角下,无量纲螺旋波的主频比静态时的高,且k值越大无量纲螺旋波频率越高。不同后掠角的三角翼均能得到相似的结论。     

三角翼作俯仰运动时水洞测力和流动显示实验研究

基于水洞中三角翼模型的动态测力和流动显示实验,讨论了俯仰运动的起始角、运动幅度和运动速率对三角翼俯仰运动时的气动特性和流动结构的影响。三角翼的气动力在俯仰运动中会产生“迟滞”或“过冲”现象。中等攻角以上,上仰运动推迟了三角翼的失速,大幅度增大了三角翼的升力系数。俯仰运动起始角和运动幅度的影响大小与其对应的静态三角翼流态有关,三角翼在涡破裂流态和完全分离流态之间作俯仰运动时,上仰时升力系数将始终高于下俯时的升力系数,运动中存在显著迟滞。迟滞的大小也受俯仰速率的影响。     

静态滚转角对双三角翼涡流特性影响的数值研究

采用微可压缩模型（SCM）做为双三角翼低速流动控制方程,采用二阶Roe格式和LU-SGS方法离散控制方程。研究20°根弦名义攻角下,76°/40°双三角翼具有不同静态滚转角下的定姿态涡流特性。研究给出了不同滚转角下的空间涡流及表面极限流线,对滚转引起的攻角、侧滑角效应以及后掠角效应进行了分析,并对这些效应引起的流场结构、表面压力分布及气动力/力矩特性的变化进行了分析。结果表明：SCM能够较好地模拟低速双三角翼背风区的复杂涡流场,方法稳定性、收敛性较好 静态滚转导致双三角翼背风区涡流呈现复杂的非对称现象和涡破裂特征,并导致升力下降、横向稳定性变差。     

三角翼DBD等离子体流动控制研究进展

现代战机采用较多的三角翼，在大迎角绕流时存在前缘涡破裂等气动问题。作为新型主动流动控制技术，等离子体激励频带宽、响应快、结构简单、便于闭环控制，在解决三角翼气动问题上具有潜力。回顾了介质阻挡放电（DBD）等离子体气动激励的基本原理，及其用于三角翼前缘涡控制的研究进展。从来流条件、几何构型、激励参数等方面分析了DBD等离子体激励对流动控制效果的影响规律；结合不同激励频率下流场演化特性，分析了流动控制机理。最后，从理论研究和工程应用的角度，对三角翼前缘涡控制的发展进行总结展望。     

天然气绕三角翼旋流的水洞实验研究

天然气绕三角翼产生旋流,使天然气中的游离水滴甩出,附着在管道内壁上,在气流的牵引下沿管道内壁向下游流动,实现了气水分离的目的。通过水洞实验,利用染色液流动显示技术,探讨了流体绕三角翼后产生旋流的可行性。同时,基于均匀设计思想对三角翼的前缘后掠角、后缘后掠角和迎角等几何参数分别做了5个水平的实验研究,均证实了天然气绕三角翼后产生旋流的可靠性,为该技术的应用奠定了基础。     

非定常自由来流对静态三角翼气动特性的影响

在南航非定常风洞中,运用动态测力、测压和流动显示技术,详细研究了非定常自由来流对静态三角翼气动特性的影响和三角翼背风面空间流场结构的变化.研究结果表明,在不同攻角下,随来流速度的脉动三角翼气动特性产生的变化不同.非定常自由来流对静态三角翼气动特性产生的影响,主要是由于来流风速的变化对三角翼上翼面的流动结构产生的影响所造成,特别是在静态失速攻角前后,这种影响最为明显,它使原先翼面上的破碎涡流变成了集中涡流.     

低速三角翼纳秒脉冲等离子体激励实验

在30m/s来流速度下,进行了纳秒脉冲介质阻挡放电等离子体气动激励改善47°后掠角钝前缘三角翼气动特性的测力实验.为寻求优化的激励位置,实验研究了5种不同激励位置的流动控制效果.实验结果表明:激励位置对流动控制效果有决定性影响,位于三角翼前缘的等离子体气动激励能有效改善三角翼的气动特性,推迟失速,而上翼面不同展向位置的等离子体气动激励的流动控制效果十分微弱;激励频率是流动控制效果的重要影响因子,激励电压峰峰值为13kV时,激励频率为200Hz下的流动控制效果最好,在迎角30°时可使升力系数由1.31增大到1.44,增大9.6%,升阻比提高3.3%.     

弧形翼-身组合体空气动力特性的数值模拟研究

利用高精度ＴＶＤ格式成功地完成了标准ＴＴＣＰ弧形翼－身组合体在马赫数为０．８～２．３６的湍流流场计算,通过对翼表面压力的积分求得自诱导转动力矩,与相应的风洞实验数据基本一致。流场的计算结果显示：自诱导转动力矩的变化主要是由于翼前缘和翼后半部分产生的法向力的差异造成的。最后进行了不同翼形参数的弧形翼－身组合体湍流流场计算,发现翼前缘削尖角角度增大和翼弦长增大,使总法向力增大。     

机翼扭转和副翼偏转横滚操纵比较研究

机翼扭转和经典副翼后缘偏转都是未来可能的智能机翼横滚操纵方案。采用Fluent仿真软件对扭转式机翼与经典副翼构型机翼进行了对比研究,主要分析两者在升阻性能、横滚操纵力矩、压力分布等方面的差异和特征规律,得到了扭转变形机翼相对副翼舵面的横滚操纵当量作用和气动优势。所设计的机翼方案由于扭转式机翼横滚操纵的机翼变形连续性以及所需扭转角度较小,易于保持流场的附着和稳定,所以达到相同横滚力矩系数,扭转式机翼所需扭转角度为副翼偏转角度的30%～50%左右,并且升阻比显著优于副翼式机翼,而且随着操纵角度增大优势更加明显,在大舵角操纵时扭转式机翼升阻比超过副翼式机翼约一倍。     

速度矢量滚转的运动学及气动力分析

速度矢量滚转定义为飞机在保持定常迎角的情况下,围绕其瞬时速度矢量所产生的无侧滑、速度保持为常值的旋转运动。对于典型的战术飞机,最大俯仰力矩是飞机方位的函数,在水平轨迹中出现在倾斜90°的情况,此时飞机的滚转速率达到峰值,迎角超过45°。最大滚转力矩依赖于滚转模态时间常数。对于较小的滚转时间常数（快速响应）,最大滚转力矩出现在最大滚转加速度、零迎角,基本与飞机的方位无关;对于较大的滚转时间常数,最大滚转力矩出现在最大滚转速率、迎角最大、倾斜角180°的水平飞行中。最大的航向力矩出现在最大滚转加速度、迎角最大时,基本与飞机的方位无关。     

飞机大振幅滚转运动动态气动特性实验研究

在南航NH-2低速风洞中,对BJ-1飞机模型动态气动特性进行了实验研究.模型在不同攻角、不同振幅和不同频率时绕体轴作大振幅滚转运动,测量了模型的动态气动特性,着重分析了模型不同运动参数对模型滚转力矩和偏航力矩的影响.结果表明,模型攻角从小到大变化过程中,模型的滚转阻尼和偏航阻尼变化很大,滚转力矩和偏航力矩迟滞环变化方向发生改变.模型滚转频率对模型的滚转阻尼和偏航阻尼影响不明显,只改变力矩迟滞环的大小.随着模型振幅增加,滚转力矩和偏航力矩迟滞环从一个变成3个,出现2个交叉点,大滚转角时滚转阻尼和偏航阻尼特性与小滚转角时的相反.     

导弹大迎角下非线性诱导滚转力矩数值研究简

 采用计算流体力学（CFD）数值模拟方法,研究战术导弹大迎角状态下涡破裂导致滚转力矩随迎角非线性增长引起舵面控制能力不足的现象。首先通过标准模型的数值分析,验证了所采用的CFD方法具有三角翼前缘涡破裂现象的捕捉能力;然后采用雷诺平均Navier-Stokes方程对某“++”字正常布局导弹构型（含弹翼、弹身、尾舵和整流罩等）进行了数值模拟,结果显示亚声速状态下滚转力矩在迎角大于20°时出现非线性增长,导致全动尾舵的滚转控制能力不足。通过分解各部件对滚转力矩的贡献,并分析流场结构,探明了该现象发生的流动机理,其主要原因是：随着迎角的增长,弹体迎风面的尾舵前缘涡首先发生破裂,导致其平衡诱导滚转力矩的作用被削弱。     

导弹大迎角下非线性诱导滚转力矩数值研究

采用计算流体力学（CFD）数值模拟方法,研究战术导弹大迎角状态下涡破裂导致滚转力矩随迎角非线性增长引起舵面控制能力不足的现象。首先通过标准模型的数值分析,验证了所采用的CFD方法具有三角翼前缘涡破裂现象的捕捉能力;然后采用雷诺平均Navier-Stokes方程对某“++”字正常布局导弹构型（含弹翼、弹身、尾舵和整流罩等）进行了数值模拟,结果显示亚声速状态下滚转力矩在迎角大于20°时出现非线性增长,导致全动尾舵的滚转控制能力不足。通过分解各部件对滚转力矩的贡献,并分析流场结构,探明了该现象发生的流动机理,其主要原因是：随着迎角的增长,弹体迎风面的尾舵前缘涡首先发生破裂,导致其平衡诱导滚转力矩的作用被削弱。     

飞行器双自由度耦合振荡的数值模拟方法

针对模拟双自由度(2DOF)运动的"PQR"强迫振荡试验装置,通过坐标变换,将机构运动转化为空间欧拉角进行表示,实现对机构俯仰/偏航、俯仰/滚转和偏航/滚转等3种耦合运动的统一描述,采用预定运动轨迹的动网格计算技术,构造了基于非定常雷诺平均Navier-Stokes(URANS)方程的飞行器双自由度振荡数值模拟方法。围绕某复杂构型飞行器低速流动,在模型迎角10°、滚转角±40°、偏航角±40°振荡预设条件下分别对单自由度偏航、滚转振荡和双自由度偏航/滚转振荡进行了模拟,得到的气动系数迟滞回线在形态和量值上与风洞试验结果吻合,证明当前方法可以作为飞行器复杂耦合运动的一种有效研究手段。针对偏航/滚转耦合振荡,从运动形式和气动特性上与单独偏航、滚转运动进行了对比分析,结果表明,耦合运动在气流角、绕体轴的旋转角速度等方面与单自由度叠加效果不同,力矩系数迟滞回线存在曲线交叉的现象,表现出与单自由度振荡不同的阻尼特性。在当前模拟状态下,偏航/滚转振荡流场以横向分离涡运动为主要特征,可以推测大迎角情况下纵横向分离涡流动结构更加复杂,耦合作用更强,需要进一步在分离流模拟方法上开展研究。     

细长三角翼滚转/侧滑耦合运动的数值研究

 采用亚迭代耦合求解流体动力学方程和刚体动力学方程数值研究方法,建立无时间滞后的耦合数值手段来分析研究飞行器非定常的耦合运动特征,研究细长三角翼多自由度非定常的耦合关联运动。研究表明：在流动结构失稳后机体运动逐步形成极限环振荡的自维持运动,滚转力矩系数滞回曲线呈现典型的“双8”稳定形态;在滚转和侧滑两自由度下,三角翼进行“落叶式飘荡”耦合运动,自激滚转振荡更为剧烈。     

细长三角翼摇滚运动数值研究

采用亚迭代耦合求解流体动力学方程和刚体动力学方程数值研究方法,建立流体与刚体运动耦合的无时间滞后的数值手段来分析研究飞行器非定常的耦合运动特征,预测失稳运动的发生与发展。研究表明:在流动结构失稳后机体运动逐步形成极限环振荡的周期性自维持运动,滚转力矩系数滞回曲线呈现典型的”双8”稳定形态,前缘涡的非对称飘起与再附是典型三角翼摇滚的驱动形式;三角翼构型的自由滚振幅随攻角变化呈现阶跃式的变化;自激振荡的幅度及频率与滚动惯量的大小存在对应的规律性关系。非定常自激振动的翼摇滚具有多控制参数、非稳定、非线性的运动特征。     

Smart flight control surfaces with microelectromechanical systems

Pitch, roll, and yaw moments can be developed by deflecting and changing the geometry of control surfaces. In this paper, smart flight control surfaces are designed using multi-node microelectromechanical systems (MEMS) to displace control surfaces and change the surface geometry. These MEMS augment translational motion microstructures (actuators-sensors), controlling/signal processing integrated circuits (ICs), radiating energy devices and antennas. The desired pitch, roll, and yaw moments are produced, drag can be reduced, and unsteady aerodynamic flows are controlled by smart flight control surfaces. That is, we achieve aerodynamic moment and active flow control capabilities. The major objective here is to report fundamental and applied research in design of smart flight control surfaces with MEMS-based actuator-sensor-IC arrays controlled by hierarchical distributed systems. We demonstrate the feasibility and effectiveness of the application of smart flight control surfaces for coordinated longitudinal and lateral vehicle control