高压捕获翼构型的跨流域气动特性

高压捕获翼(HCW)构型是一种满足高速飞行器高容积、高升力、高升阻比的设计需求的新型气动布局.最近研究表明,HCW构型能够提高飞行器在连续流区的升力和升阻比,缓解飞行器设计中高容积率与高升阻比间的矛盾.为探究该气动布局在过渡流域(70～100 km)的气动特性,以一种楔—平板组合的高压捕获翼原理性构型作为模型,采用直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法,详细分析了该模型在典型高超声速条件(马赫数20)下的流场结构和壁面气动力/热分布.结果表明,随着飞行高度增加,稀薄效应增强,机体压缩产生的激波厚度增加,激波边缘逐渐模糊,机体与捕获翼之间的开放通道内出现压力干扰.同时,高压捕获翼表面的摩擦系数迅速上升,气动摩擦成为制约捕获翼构型升阻比的重要因素.针对这一问题,分析了捕获翼材料表面的适应系数对飞行器的气动力/热的影响,结果表明,降低适应系数可以显著减小壁面摩擦和热流量,可通过选用适应系数较小的表面材料进一步提高该类飞行器气动性能.     

机体尾缘形状对高压捕获翼构型亚声速特性影响

基于圆锥-圆台组合平板捕获翼构型，通过改变尾缘展向扩张角，获得一系列不同外形，在典型亚声速（Ma=0.5）来流条件下开展数值计算，并重点分析了机体尾部截面形状和攻角变化对流动特性和气动特性的影响。结果表明：在0°攻角状态下，机体尾截面展向变宽，机体与捕获翼之间的流场区域对来流的扩张减弱，机体圆台上表面的逆压梯度减小，可有效抑制机-翼之间流场内的流动分离现象，同时整机升力系数增大，阻力系数先减小后增大。随攻角增大，机体圆台上表面压力增大，分离区范围逐渐缩小直至消失，机体尾截面展向变宽可加速分离区消失的进程。当攻角进一步增大时，机体背风面出现横向绕流，但机体尾截面展向变宽可以延缓横向绕流的发展。计算结果还表明，随攻角增大整机升力及阻力主要由捕获翼贡献，机体贡献的气动力随攻角变化不敏感，机体尾截面展向变宽对整机焦点位置影响较小。机体下表面几何形状变化对机体与捕获翼之间的区域内流动特性和捕获翼部件的气动力特性无明显影响。     

变前掠翼布局气动特性及流动机理研究

基于N-S控制方程和流场数值计算方法,研究了变前掠翼布局的气动特性和流动机理。低亚声速下,平直翼构型展弦比最大,因而最高的气动效率,适合起飞和着陆;跨声速时,前掠翼构型均有很好的低阻和失速特性,适合巡航或机动;超声速时,三角翼构型的零升阻力和激波阻力最小,可用于高速突防或逃逸。本文研究结果可为多功能战斗机的气动布局设计提供参考。     

混合网格方法研究栅格翼亚跨超声速气动特性

采用基于结构/非结构混合网格的CFD方法对栅格翼的亚跨声速气动特性进行了研究,计算方法经过试验数据的验证,可达到工程精度。对单独栅格翼的研究表明,跨声速壅塞时,流动通过栅格前方亚声速气流减速从栅格外侧溢流而实现流量调节;超声速壅塞时,流动通过在栅格翼上产生网状脱体激波使来流减速至亚声速来进行流量调节,且计算结果与理论估算上下临界马赫数范围一致。对某栅格翼气动布局导弹的计算结果表明,在跨声速壅塞区间内,壅塞有自我调节作用,通过溢流使栅格通道内维持相似流动,从而使栅格气动性能保持基本平稳;同时由于溢流使流量下降,栅格翼升力效率下降,导弹静稳定性减弱。     

翼反角对高压捕获翼构型高超气动特性的影响

为研究翼反角变化对高压捕获翼构型高超声速气动特性的影响，基于一种双翼面、单支撑、翼身组合布局的高压捕获翼概念构型，以飞行马赫数6，飞行高度30 km为计算状态，捕获翼和机体三角翼上/下反角为设计变量，结合均匀试验设计方法、数值模拟方法和Kriging建模方法，探寻了升阻特性、纵向和横航向稳定性随翼反角的变化规律。结果表明，升力、阻力及升阻比随翼反角的变化规律基本一致，且对上反角变化更加敏感；小攻角时，翼面上反会明显降低升阻比，而下反会使升阻比先略微增大后缓慢减小；大攻角时，翼反角对升阻比的影响较小；纵向稳定性主要受三角翼反角的影响，三角翼上反时，纵向稳定性降低，下反时，纵向稳定性基本不变；翼面上/下反都会提高航向稳定性，但下反的效果更明显；翼面上反会提高横向稳定性，下反则降低，但大攻角飞行时，三角翼上反角过大可能会导致横向稳定性降低。     

基于超声速有益干扰原理的气动构型概念综述

超声速有益干扰气动设计概念于20世纪30年代提出，其基本思想是利用飞行器部件间的波系干扰获得诸如增升或减阻等性能收益。此概念在20世纪50~60年代得到了大量探索并部分实现了工程应用，在20世纪70年代至世纪末陷入沉寂。近年来，随着超声速运输机和高超声速飞行器技术的复兴，超声速有益干扰概念重新得到重视并有望得到工程应用。本文梳理了超声速有益干扰气动设计概念的发展历史，总结了应用超声速有益干扰原理的典型构型，如超声速双翼机、Flat-top构型、环翼和半环翼构型、伞翼构型、高压捕获翼构型等，并对典型构型的基本原理和气动特点进行了分析。对超声速有益干扰设计概念的未来进行了展望，概述了亟待研究的相关问题。     

低超声速来流中机翼跨声速非定常气动力数值解法

本文给出一种低超声速来流中机翼跨声速非定常流的计算方法。该方法使用跨声速小扰动理论,正确地计入了沿流向平面流动特征线的压力波的运动边界条件。流动方程是使用时间精确交替方向隐式(ADI)有限差分解法求解。试算了M=1.1的矩形翼和M=1.1、1.34的F5机翼的定常和非定常气动力,并与国外的风洞试验和计算结果作了比较,符合很好。表明本方法是有效的。     

'W'型无尾布局流动机理研究

基于NS方程数值模拟方法,研究了‘W’型无尾布局的流动机理。与参照前掠翼布局相比,‘W’布局优越的气动性能来源于其流动形态的变化:小迎角时,翼身融合升力体设计,使机体表面流动更为通畅,升力增加,机体部件干扰减小,部分补偿了因机身加宽,浸润面积增大带来的摩擦阻力,使总阻力没有明显增加。α≥6°,‘W’布局具有新的流动结构,机翼上表面流动由侧缘涡和前缘涡及其诱导的二次涡所控制,侧缘涡与前缘涡之间产生有利干扰,增强了对机翼表面流动的控制能力,不仅带来涡升力,而且有效控制了前掠翼根部流动分离,是其具有优越纵向气动性能的物理原因。‘W’布局新的流动结构为其横侧气动性能改善奠定了基础,为进一步完善布局设计提供了理论依据。     

基于跨声速高压涡轮凹槽叶顶间隙模型的大涡模拟研究

为研究跨声速高压涡轮叶顶间隙非定常流动特性及流场结构,基于跨声速高压涡轮凹槽叶顶间隙的几何特征,建立了可行的简化数值模型,并通过大涡模拟对叶顶凹槽间隙内部的非定常流动进行了数值计算,探讨了凹槽叶顶几何参数对流动稳定性和气动性能的影响.研究结果表明,当跨声速泄漏流动流经凹槽叶顶时,在凹槽入口处形成激波,同时凹槽前分离泡发...     

基于后掠唇罩的入射激波/边界层干扰流动控制方法

针对高超声速进气道内强唇罩激波/边界层干扰带来的大尺度分离、流动损失大等问题,提出了基于后掠唇罩的入射激波/边界层干扰流动控制方法。在来流马赫数3、唇罩压缩角18°条件下,仿真对比了后掠/平直2类唇罩2种构型干扰区内的流动特性。结果表明：后掠唇罩入射激波/边界层干扰产生的分离包尺度沿展向呈现逐渐增加的趋势,利用三维后掠入射激波产生的自对称面往两侧的顺压梯度,驱动低能流往两侧迁移,可使得分离区流向尺度相对于平直唇罩构型最大可减小50.6%;在后掠唇罩干扰区内,压力分布呈现以分离线曲率中心为虚拟中心的椭圆相似特征。     

高超声速飞行器构型的数值模拟、试验研究与优化设计

综合升力体和乘波构型的气动性能优势,发展了一种高超声速飞行器前体气动构型的设计方法。运用该方法参考某高超声速飞行器气动布局方案,设计了一种高超声速飞行器气动布局。对该类高超声速气动布局进行了数值模拟、优化设计和试验研究;并研究了该类气动布局在高空飞行时,稀薄气体效应对气动性能的影响。数值模拟结果表明：构型前体预压缩面能够将高压气体封闭在构型下表面,实现了乘波构型的设计概念;优化设计结果表明,对于该构型宽展比应在0.4~0.6之间,通过优化升阻比至少有3%~5%的提高余地。对DSMC算法的碰撞模型和有效碰撞次数进行了改进,发展了临近空间飞行器气动性能模拟软件。研究结果表明,在临近空间区域,该类气动布局的升阻比特性略有下降,但仍旧保持了高升阻比的气动优势。     

发动机进排气效应对民机构型气动特性影响

基于非结构混合网格技术,通过数值求解Navier-Stokes方程,分析了航空发动机进排气效应对民机构型气动特性的影响。通过设置合适的进排气边界条件来模拟发动机进排气效应的影响,采用单独发动机短舱风洞试验模型,验证了计算方法的可靠性。在此基础上,分析了发动机进排气效应对翼吊式和尾吊式两种典型民机构型气动特性的影响,结果表明:翼吊式民机构型发动机进排气效应对升力的干扰主要由发动机尾喷流的引射效应对机翼的干扰引起;尾吊式民机构型随着发动机进气流量的增大,机翼上表面压力逐渐减小,激波位置逐渐后移;不同发动机进气流量会对飞机的阻力特性产生较大影响,在飞机详细设计阶段需充分考虑机体与动力装置之间的干扰影响。      

宽速域高超声速飞行器设计与气动特性研究

为了提升高超声速飞行器在低速和超声速条件下的气动特性,提出了一种新型宽速域类乘波体机身加可变菱形连接翼的气动构型,飞行器通过连接翼的收放变化来实现展弦比和掠角的增减,提高全速域范围的气动性能。采用CFD方法,对低(超声)速和高超声速时的气动特性进行了数值计算。通过分析计算得出结论:在低速和高超声速时,飞行器的气动特性良好。结果表明,该设计方法是可行的,符合水平起降、宽速域飞行的发展趋势。     

开式空腔气动声学特性及其流动控制方法

在高速风洞中对空腔流场气动声学特性进行了试验研究,采用剪切层扰流法对流场进行流动控制,空腔长深比为4.1。通过对空腔流场的脉动压力试验结果分析,研究了亚、跨声速条件下开式空腔流场的气动声学特性及气动噪声抑制效果,对开式空腔流场气动噪声形成机制及流动控制机理进行了分析。试验结果表明:开式空腔流场气动声学环境恶劣,最大总声压级(OSPL)高达177dB;开式空腔流场存在强烈的自持振荡,声压频谱曲线上存在多个不同模态的单调声;亚声速条件下,采用剪切层扰动法进行流动控制可导致空腔流场气动声学环境更加恶劣;跨声速时,采用剪切层扰动法进行流动控制使空腔流场气动声学环境明显改善。     

基于全局/梯度优化方法的宽速域乘波-机翼布局气动设计

宽速域高超声速飞行器是航空航天领域新的战略制高点,其飞行速域与空域极大化特点导致亚/跨/超/高超声速气动性能难以兼顾。为了缓解高低速气动设计的矛盾,以典型宽速域乘波-机翼布局为研究对象,结合基于代理模型的全局优化方法和基于伴随梯度的局部优化方法,对该宽速域构型的布局参数和剖面形状进行了从全局到局部的多目标分步优化。结果表明,在约束亚声速升力系数、高超声速阻力系数的情况下,基于代理模型的布局参数优化方法能够在维持高超声速气动性能的同时,将亚声速的升阻比提升9.5%。进一步选取布局参数优化结果 Pareto面上亚声速气动特性最优的构型,利用基于伴随梯度的优化方法,对机翼剖面进行梯度优化。优化结果表明,梯度优化能够有效地改善飞行器亚/高超声速状态下的阻力特性,并将翼型在几何上优化为兼顾亚/高超声速气动特性的双S翼型。通过上述从布局参数到剖面参数的优化,乘波-机翼构型的亚声速升阻比相比初始构型提升了12.4%,高超声速升阻比相比原始构型提升了6.2%。     

二维振荡机翼跨声速非定常绕流的变域变分有限元解

本文首先对文献（１－３）提出的二维振荡机翼含激波跨声速非定常绕流的变分原理进行了改造，使之能适用于时间推进法；构造了三维时空的可变节点有限元来捕获自由尾涡面，而跨声流中的激波采用人工密度法捕获。在远场边界上使用简化的无反射条件和新型非定常Ｋｕｔｔａ条件。用本文方法求解了作俯爷振荡的ＮＡＣＡ６４Ａ０１０翼型的跨声速绕流，计算结果令人满意。本文方法可以推广到三维机翼及二维和三维叶栅的同类气动力问题上去     

湿空气凝结对ONERA M6机翼气动特性影响的数值研究

大气飞行条件下机翼附近的跨声速湿空气流动中空气中含有的水蒸汽可能越过饱和线而发生非平衡凝结。水蒸汽凝结潜热加热气流会改变跨声速流动的特性,从而对机翼气动特性造成显著影响。本文建立了湿空气非平衡凝结流动的数学物理模型,对ONERA M6机翼在跨声速条件下的湿空气非平衡凝结流动进行了分析。结果表明,与干空气流动相比,在攻角为3.06°和空气相对湿度为50%时,ONERA M6机翼表面压力系数有显著变化。造成机翼气动特性显著变化的原因在于:湿空气中水蒸汽凝结放热对跨声速气流加热,导致机翼表面附近的流速、压力与流场结构发生了显著变化。     

现代自然层流翼型的设计方法

本文介绍一种设计跨声速自然层流翼型的计算流体力学(CFD)方法。本方法采用“正反迭代、余量修正”设计原理,通过将跨声速翼型设计软件NPU-TD2D中的反设计程序进行改进,并与含有层、湍流混合边界层修正的跨声速层流翼型计算程序DLRBGKWALZ耦合,实现了在跨声速粘性流动条件下直接设计层流翼型。亚、超临界的设计实例和风洞验证表明,本方法可以在几个设计迭代内设计出压力分布、转捩位置及气动参数均准确收敛于设计目标的新翼型,是一种设计现代自然层流翼型的有效而实用的CFD方法。     

扇翼流动机理数值模拟研究

以扇翼的气动特性(高升力)为关注焦点,对扇翼流动的流场结构细节进行了数值模拟研究。对有推力二维Lockheed C-141超临界翼型进行数值模拟,验证和确认了扇翼流场的数值模拟方法,并数值模拟了扇翼旋转时的流场结构。结果表明,其高升力来源于固定翼部分上表面高速流动的射流,而这种射流正是由叶片旋转带动扇翼内部流体不断加速喷射得到的。扇翼内部的流动是复杂的非定常流动,存在多种尺度的旋涡、湍流边界层及二者的相互干扰等,使气动力高频振荡,进而可以预测相当的气动噪声是不可避免的。将算法应用于扇翼飞行器的外形设计优化阶段,得到了若干构型的气动性能,为下一步开展的无人机研制工作提供了指导。     

DLR-F6/FX2B翼身组合体构型高阶精度数值模拟

基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程和结构网格技术,采用五阶空间离散精度的加权紧致非线性格式(WCNS)和剪切应力输运(SST)两方程湍流模型,开展了DLR-F6和DLR-F6_FX2B 2种翼身组合体构型的高阶精度数值模拟,计算外形来自AIAA第三届阻力预测研讨会。主要目的是确认WCNS模拟跨声速典型运输机构型和预测局部构型变化引起的气动特性变化量的能力。在固定升力系数条件下,采用粗、中、细3套网格开展了网格收敛性研究,从气动力系数、压力系数分布、表面流态等方面研究了网格规模对DLR-F6和DLR-F6_FX2B翼身组合体数值模拟结果的影响;采用中等网格开展了来流迎角对2种翼身组合体气动特性的影响研究。通过与National Transonic Facility(NTF)的试验结果和CFL3D的计算结果对比,表明采用高阶精度计算方法得到了网格收敛的数值模拟结果,较好地模拟了DLR-F6翼身组合体局部修型引起的微小气动特性变化和翼身结合部流动特性的差异。