超声速变马赫数风洞流场参数线性变化验证

旋转喷管型面使超声速变马赫数风洞在单次运行过程中可连续调节实验区的马赫数,便于研究飞行器的机动过程、进气道起动过程中的气动问题。在控制喷管型面旋转过程中,流场参数能否线性变化是衡量超声速变马赫数风洞性能的一个重要指标。分析变马赫数风洞实验区流场参数的线性变化规律,利用弹簧光顺的动网格技术建立数值仿真模型,验证喷管位于马赫数3.041~3.215 范围所对应的位置时,实验区流场参数是否满足线性变化规律。结果表明：通过对喷管型面旋转的控制实现了风洞实验区流场参数的线性变化,动态计算结果与预期实验区流场参数线性变化规律吻合良好;在不同加速度的流场参数线性变化过程中,各时刻实验区的平均参数与预期参数之间的偏差均小于0.13%。     

跨声速流场扰动模态与湍流度精细测量

开展了跨声速风洞可压流场扰动模态与湍流度精细测量研究，以满足高速飞行器的低湍流试验需求。基于变热线过热比测量方法，在理论上推导了跨声速流场扰动的一般模态和3种特殊模态特征方程（涡模态、熵模态和声模态），以及扰动模态对应的特征曲线，以此为基础，通过试验获得了流场一般模态、涡模态、声模态扰动图和较高精度的湍流度值，通过扰动图频域分析了马赫数1.50的流场声模态扰动机理，建立了一种跨声速可压流场扰动模态分析与低湍流度测量方法。在新型连续式跨声速风洞完成马赫数0.20～1.50流场测量试验，测得湍流度为0.037%～0.197%，数据非线性拟合优度为0.943～0.995，蒙特卡洛模拟不确定度为0.000 2%～0.004 1%。研究结果证明了所建立的可压流场扰动模态与低湍流度测量方法的有效性，对高性能跨声速风洞的流场评估、优化和飞行器低湍流试验有实际意义。     

超声速/高超声速边界层转捩后期流场的模态分析

将动力模态分解(DMD)方法应用到超声速和高超声速边界层转捩后期的流场分析中,通过获得流场主要的相干结构和对模态的重构,研究了相干结构与壁面阻力和热流的关系。结果表明超声速和高超声速边界层转捩的流场结构存在明显差别。超声速转捩流场由低频流向涡的模态主导,这些模态对转捩后期的壁面阻力和热流有重要贡献;高超声速转捩流场中存在多个不同量级频率的模态,在DMD频谱上表现为多个不同的分支,通过对不同分支能量最高的模态进行考察,我们发现低频模态的结构为流向条带,高频模态的结构为二维扰动波,这些模态对壁面阻力和热流的影响与模态的结构形式类似。     

噪声对边界层转捩的影响

风洞流场的噪声和湍流度是影响层流边层转捩实验结果的两个重要因素。本文通过实验初步研究了噪声对转捩的影响，实验包括：输入声影响和风洞流场的噪声。结果表明，声频和声压在数值上都存在敏感区；风洞噪声是宽带噪声，以低频为主（至少低速风洞是如此），这对层流边界层转捩有重要作用；风洞噪声会随风速加大而增高，在稳定段用栅格改变湍流度时，实验流场的噪声会随湍流度升高而增加。     

高对流Mach数三维混合层转捩特性分析及小激波结构模拟

采用空间大涡模拟方法对超/超混合、超/亚混合两类三维可压缩平面混合层转捩及其全湍流流场进行了研究,认为混合层动量厚度饱和点可作为流场转捩完成的标志.计算所得到的线性扰动波激励下流场转捩拟序结构与随机扰动下自然失稳结构以及文献结果进行了比对,其结果是一致的,表明了引入线性扰动激励来研究流场转捩结构是合理的.同时,本文还在较高对流Mach数流动下得到了三维流场动态小激波结构,其分布具有非对称特性,且形状与实验及直接数值模拟结果相似.不同条件混合层转捩计算表明:高对流Mach数下混合层转捩以Λ涡结构的形成和发展为主导机制,受扰动及对流条件的影响Λ涡结构不尽相同,某些情况下流场出现二维与三维涡结构共存现象.充分发展湍流区域,流场脉动速度分量量级相同,湍流压缩效应随着对流Mach数提高而明显增强.     

混合流场控制的大涡模拟

采用大涡模拟方法研究了三维小扰动下,混合流场大尺度拟序结构的产生和演化过程,捕捉了展向涡的卷起、配对、合并,以及二次流向涡的出现等大尺度的三维拟序结构,分析了拟序结构与入口扰动方式之间的内在联系,再现了涡卷自身撕裂而引发转捩的现象。     

锯齿形转捩片触发高超声速进气道边界层转捩的大涡模拟

为促进锯齿形转捩片在高超声速进气道中的应用,以地面风洞条件下的二元进气道为研究对象,采用高精度大涡模拟方法对锯齿形转捩片在三级压缩楔面上触发的边界层转捩现象开展了研究。数值方法基于隐式亚格子模型,空间离散采用高精度通量限制型紧致格式,时间推进采用显式Runge-Kutta方法。数值模拟清晰捕捉到了边界层转捩的空间发展演化过程,并获得了统计平均流场以及流场脉动特征。数值模拟结果表明转捩片能够有效触发进气道压缩面边界层转捩;通过与等熵压缩面及单楔面数值模拟结果的对比分析,获得了转捩片触发边界层转捩的内在机理,为后续研究工作奠定了基础。     

高超声速边界层转捩研究现状与趋势

在过去15年间,随着高超声速技术快速发展,边界层转捩也得到了更加广泛和深入的研究。人们对流向行波失稳、横流失稳、G9rtler涡失稳等转捩机理取得了较深刻认识,发展了可供工程设计的转捩判据、eN方法和转捩模型等转捩预测方法,建设了高超声速静风洞,并努力改善大口径常规风洞的流场品质,显著提升了地面风洞的转捩模拟能力和测试能力。未来,边界层转捩研究仍将紧跟高超声速飞行器发展趋势,在模型上更加关注椭锥和裙锥等外形;在机理上用PSE和DNS研究Mack模态与横流模态、G9rtler涡模态、流动分离的共同作用;在预测方法上发展基于PSE的eN方法、专用的转捩判据和更物理的转捩模型;在试验能力上进一步提高静风洞来流雷诺数和喷管口径,降低常规风洞背景噪声,发展点-面结合的转捩测试技术和时空高分辨率的流动显示技术。     

高超声速进气道钻石型强制转捩装置的转捩准则研究

针对吸气式高超声速前体/进气道外形,利用在Φ600mm脉冲燃烧风洞和Φ0.5m高超声速风洞上获得的边界层转捩试验数据以及CFD流场计算结果,研究了前体边界层强制转捩区域的起始位置及其影响参数。采用回归分析方法,提出了一种适用于常规风洞和脉冲燃烧风洞、能够预测自然转捩和钻石型强制转捩起始位置的转捩准则。这个转捩准则考虑了边界层外沿的马赫数、雷诺数,以及总温/壁温比、来流气体平均分子量、粗糙元高度等影响转捩位置的主要因素;当粗糙元高度为0时,强制转捩准则退化为自然转捩准则。转捩准则成功推广到X-43A进气道风洞试验,预测最大偏差约为进气道全长的13%,可以应用到工程项目的转捩预测中。     

后掠翼混合层流控制机制的实验

在低湍流度风洞中针对NACA64A-204翼型后掠翼模型进行混合层流控制(HLFC)实验研究.通过萘升华流动显示技术以及热线测量边界层速度的方法,研究了不同吸气量条件下HLFC对后掠翼转捩位置以及流动稳定性的影响.实验结果表明:无吸气的情况下,转捩出现在x/c≈0.4,标准和两倍抽吸量条件下,转捩位置可以达到80%弦长位置(最小压力点下游).HLFC方法可以减弱后掠翼边界层平均流的扭曲,降低扰动之间的非线性作用,减小不稳定扰动波的能量,延迟转捩获得更大的层流区.      

内埋式弹舱流场特性及武器分离特性改进措施

为改善内埋弹舱的流场特性以及内埋武器分离特性,采用在弹舱前缘悬细金属条的方法对弹舱流场进行流动控制,并在高速风洞中进行了试验研究。通过分析舱底静态压力试验结果以及脉动压力试验结果,研究了武器模型处于不同分离位置时流动控制对弹舱流场特性的影响;通过测量武器模型力和力矩,研究了流动控制对武器分离特性的影响。研究结果表明：武器模型处于不同分离位置时,该流动控制方法对弹舱底部静态压力分布以及总声压级分布的影响是相似的;当弹舱的流场类型为过渡／闭式穴流动时,采用该流动控制措施能有效降低舱内的静态压力梯度,并能有效改善武器的分离特性;当弹舱的流场类型为开式穴流动时,采用该流动控制措施能有效抑制舱内产生的气动噪声。     

基于升华法的后掠翼混合层流控制研究

在低湍流度风洞中针对45°后掠角NACA64A-204翼型模型,采用升华流动显示技术研究不同吸气量和不同迎角状态下混合层流控制（HLFC）对转捩位置的影响。结合热线方法测量流向速度研究扰动增长的机制。实验结果表明：萘升华流动显示技术适合用来研究HLFC方法对后掠翼转捩的影响,可以直观和准确地表示后掠翼上的转捩位置;在无吸气的情况下,随着迎角从-6°到2°增大,层流区长度先增大后减小;HLFC方法可以显著推迟由横流不稳定触发的转捩;在同一迎角下增加吸气量,可以更有效地减小主要扰动波的能量。     

模型的转捩流动计算分析简

 为了在黏性流动数值模拟中实现边界层转捩的自动预测,将γ-Re_θt转捩模型引入到三维非结构混合网格的雷诺平均Navier-Stokes方程求解程序（HUNS3D）。该转捩模型由两个依赖当地变量定义的关于间歇因子和当地化转捩起始动量厚度雷诺数的输运方程组成,其数值求解算法与流场求解程序中湍流模型的求解方法相同。为了考察和验证HUNS3D程序中γ-Re_θt转捩模型对航空工程中的常见附面层自由转捩问题的预测精度,对低速平板流动、Aerospatial-A翼型、NLR 7301超临界翼型和NASA Trap wing 高升力构型等典型外形的自由转捩流动进行了计算,并将计算结果与相关试验结果进行了对比分析。算例结果表明：γ-Re_θt转捩模型对于转捩位置具有很好的敏感性,能比较准确地预测自然转捩和分离转捩,可以有效提高HUNS3D程序对实际流动的模拟能力和预测精度。     

高超声速边界层转捩对旋转钝锥自由飞运动的影响

通过在钝锥模型表面上布置人工绊线促使边界层强迫转捩,采用运动自由度不受约束的风洞模型自由飞试验技术研究边界层转捩对高超声速旋转钝锥自由飞行运动特性和气动特性的影响规律,并与自然转捩的旋转钝锥风洞模型自由飞试验结果作对比分析,试验马赫数为5.0,以模型长为特征尺寸的自由流雷诺数为1.68×106。研究结果表明:有人工绊线的旋转钝锥在自由飞行过程中有"激励稳定"的绕流流场,产生动态稳定的自由飞运动(动稳定导数系数小于0),而无转捩绊线的旋转钝锥在自由飞行中则有"激励不稳定"的绕流流场,产生动态不稳定的自由飞运动(动稳定导数系数大于0)。     

高超声速圆锥边界层转捩数值研究

以类似于处理湍流脉动的方式来模型化非湍流脉动,考虑湍流的间歇性特征及引起超声速流动失稳机制,研究包括转捩起始位置及转捩区范围的高超声速流动转捩问题,发展可反映扰动模态和可压缩性影响的两方程SST转捩/湍流模式.针对尖锥模型,在马赫数6、攻角O°～2°时,采用第二模态(Second-mode)机制,预测并比较完全层流态、完全湍流态,以及自然转捩发展过程中的表面热流、表面摩阻等气动特性.     

TS P转捩探测技术在民机风洞试验中的应用研究

以ARJ-4模型为研究对象,在FL-3风洞中进行TSP转捩探测技术试验研究,并应用红外热成像转捩探测技术进行探测,获得对比验证结果,试验中还采用了基于柱状粗糙元的固定转捩试验方法.试验使用了自研TSP涂料,对模型进行了预加热,预加热模型的目的是增大模型表面层流区与湍流区之间的温度差异.模型表面粘贴了红外试验用标记点,也作为TSP技术图像对准控制点.试验状态为马赫数0.75和0.85,α由-4°变化到4°.试验结果清晰地显示了模型表面的层流区与湍流区及其随迎角的变化.     

激励方式对多段翼型升力特性影响的实验研究

缝道流动参数对多段翼型气动特性非常重要。通常采用改变翼型外形、缝道几何参数组合以及流动主／被动控制来改变缝道流动参数,提高多段翼型的气动性能。在不同的声激励方式下,通过风洞实验的方法研究多段翼型升力特性变化的规律,以探索提高增升效果的新途径。采用NF-3风洞实验,着重研究声源在模型表面的位置及排列方式对翼型升力特性影响的规律,包括单点激励、单排多点激励、多排多点激励、M型多点激励等四种不同的激励方式。结果表明：在GAW一1两段翼型的襟翼上表面加入弱声激励,翼型的升力系数有了一定变化;不同的激励方式对翼型升力系数的影响不同;在研究范围内,单点声激励使翼型的升力系数减小,M型多点声激励使翼型的升力系数少量增加。     

A numerical and experimental study of a transitional separation bubble

A combined numerical and experimental study of a two-dimensional transitional separation bubble due to an adverse pressure gradient is reported. The experiments have been performed in the MTL wind tunnel with a contoured wall imposing an adverse pressure gradient on the flow over a flat plate. The separated shear-layer is highly unstable and transition to turbulence occurs in the flow. The experimental separation bubble flow is modelled numerically using two-dimensional direct numerical simulations (DNS). Prescribing free stream boundary conditions in the wall normal velocity the experimental bubble is reproduced. The development of artificially forced two-dimensional instability waves is investigated and good agreement is found between experiments, simulations and linear stability theory (LST). The performance of several engineering transition prediction methods applied on the present separation bubble is presented and compared. Methods based on simplifications of the eⁿ-method yield predictions in accordance with experiments and DNS.     

Measurement and assessment of wind tunnel flow quality

For decades, wind tunnel testing has been conducted in test section environments that have not been adequately or consistently documented. Since wind tunnel flow quality can adversely affect test results, accurate and consistent flow quality measurements are required, along with an understanding of the sources, characteristics, and management of flow turbulence. This paper will review turbulence measurement techniques and data obtained in subsonic, transonic, and supersonic test facilities as they relate to the determination and assessment of wind tunnel flow quality. The principles and practical application of instrumentation used in the measurement and characterization of wind tunnel turbulence will be described. Techniques used for the identification of the sources of wind tunnel disturbances, and the performance of turbulence suppression devices will be outlined. These test techniques will be illustrated with extensive measurements obtained in a number of test facilities. The measurements will provide comprehensive turbulence data that are vital to the assessment and management of flow quality. Procedures designed to assess the potential influence of adverse flow quality on wind tunnel model test performance will also be discussed.