大迎角下翼型振动的气动性能研究

众所周知,风洞试验中的飞机模型,尤其是带有大展弦比机翼的模型有时会出现翼梢振动现象,振动模式主要表现为翼梢沉浮和俯仰形式,以致影响实验结果的精度和可靠性。选取相对厚度较小的NACA0008翼型,在求解非定常Navier-Stokes方程的基础上,采用改进的无限插值理论和绕翼型的C型网格,模拟风洞实验中模型振动条件下的流场,研究振动模式及其不同耦合对流场、尤其是大迎角流场的影响,并考虑了模型弹性轴不同位置对结果的影响。研究结果表明：在临近传统定常失速迎角的大迎角条件下,翼型的振动可以引起翼型大尺度的分离,导致翼型失速的提前发生;振动在不同的相位滞后条件下,对翼型流场的分离程度不尽相同。     

弹性振动对翼型失速迎角附近流场的影响

通过求解雷诺平均Navier-Stokes方程得到气动力,结合翼型振动方程,计算了翼型不同迎角下的动态过程,分别通过层流和湍流情况的计算,重点研究了弹性振动对翼型失速迎角附近流场的影响,研究结果表明,在中低雷诺数、翼型具有弹性振动的情况下,翼型的失速迎角会比传统定常意义上的失速迎角提前出现,为长期以来数值计算得到的失速迎角与风洞实验、飞行试验结果的不同给出了一种物理解释。     

翼型相对厚度对失速分离特性的影响

雷诺数为3.0×106时,选用了五种典型厚度的翼型,对其失速分离特性进行了实验研究,本文给出了这些不同厚度翼型失速分离特性的主要研究结果.研究结果表明,翼型相对厚度在7%～38%的范围内,各翼型的失速分离特性主要取决于上翼面的流动分离状况,这与文献[1,2]的结论一致.但是,对于特大相对厚度的55%的特厚翼型,则呈现出一种与前述不同的独特的失速分离特性.这种翼型的失速分离特性将会受到下翼面绕流特性的强烈影响,正是这种下翼面压力的发展变化最终导致整个翼型的完全失速分离.     

多段翼型失速分离特性的计算

本文用高阶奇点分布板块法(Panel Method》及边界层理论,对多段翼型的失速性能进行计算。采用分离尾迹的模型,按尾迹是流线用迭代法求出分离尾迹边界(此为内迭代)。在尾迹上配置奇点,然后把尾迹考虑在内进行粘/位流迭代(此为外迭代)。收敛后可得多段翼型空气动力特性,且可计算到失速以后的情况。算例有单段翼型GA(W)-1,NACA 4412,和F111飞机的三段翼剖面,所得结果与实验值能很好地符合。     

Detached-Eddy Simulation方法模拟不同类型翼型的失速特性

 应用DES(Detached-EddySimulation)方法数值模拟了3种不同失速类型的翼型的升力特性。DES方法结合了RANS(Reynolds-averagedNavier-Stokes)和LES(LargeEddySimulationapproaches)的优点。基于Spalart-Allmaras湍流模型,在近壁面DES体现为RANS模型的特点而在远离物面处又具有LES的亚格子模型的特性。对此模型使用了LU-SGS隐式格式求解。通过和实验结果对比,显示这种方法可以有效地预测翼型的失速特性。     

翼型动态失速的数值研究

用不可压缩流动的求解算法，结合WilcoxDC提出的k－ω模式和k－ωSST湍流模式，对翼型的动态失速进行了数值模拟。通过对典型的振荡翼型轻失速和深失速算例的计算结果分析可以看出：（1）绕动态失速翼型的流场结构十分复杂，轻失速和深失速在流动特性上有很大区别。计算结果显示：轻失速主要是由于后缘分离引起，分离涡的影响范围主要是在后缘附近。而深失速则首先形成很大的前缘分离涡，该分离涡在翼型表面上运动，并诱发出二次分离涡，引起翼型升、阻力系数的显著变化。（2）对于动态失速的翼型绕流，k－ωSST湍流模式是较为有效的，计算出的气动力系数迟带曲线变化趋势与实验结果符合得比较好。     

薄翼失速翼型前缘分离泡对失速特性的影响

DES方法结合了RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)和LES(Large Eddy Simulation approaches)的优点。在近壁面它体现为RANS模型的特点而在远离物面处又起到LES的亚格子模型的特性。论文应用DES(Detached-EddySimulation)方法讨论了影响薄翼失速的分离泡对翼型的升力特性影响。     

直升机旋翼翼型动态失速特性试验研究

针对CH-9.5旋翼翼型,开展了不同马赫数、迎角及振动频率下的静态和动态气动特性实验,介绍了试验测量方法、试验结果处理步骤,测量了不同状态、不同参数时的翼型动态失速特性,给出了迟滞环区域随马赫数、迎角及振动频率的变化规律,所得的试验结果为理论模型提供了验证依据。     

雷诺数变化对翼型边界层发展及失速特性的影响

翼型失速及其边界层发展是飞行器设计中的基础科学问题,而雷诺数变化对其影响很大。针对后缘失速翼型,采用Menter k-ω SST模型及耦合扰动放大因子输运方程的转捩模型,进行雷诺数变化对层流-湍流转捩边界层特性和失速特性的影响分析。结果表明:雷诺数增大时,对于转捩边界层,当地涡量雷诺数增大,转捩前移且分离泡减小,流动能量耗散减小,翼型整体表面剪切效应增强,动能更充沛,流动自持能力增强,压力分布可以维持较长距离的梯度抵抗分离能力增强;因此雷诺数增大使翼型失速迎角提高、升力系数增加。     

大展弦比机翼模型设计对翼型流场气动特性的影响

采用SST两方程湍流模型,通过求解非定常Navier-Stokes方程,模拟了大展弦比机翼风洞模型振动条件下的翼型流场,总结了翼型不同振动状况下的流场和气动力特点,分析了模型设计中的不同振动情况对风洞试验结果的影响。研究结果表明：在大展弦比机翼风洞模型的设计中,将翼型的重心设计在机翼的弹性轴之后,对风洞试验的精度较为有利。此结论对大展弦比机翼的风洞实验模型设计有指导意义。     

冰形表面粗糙度对翼型的失速特性影响分析

结冰翼型气动影响分析是飞机结冰问题重要的研究内容之一,可帮助进行飞机结冰安全分析和容冰设计.为填补现阶段关于冰形表面粗糙度对翼型气动影响的研究空缺,以冰形的粗糙度参数(冰形表面粗糙高度和冰形表面粗糙分散度)为依据,提出了一种冰形粗糙度叠加方法;并通过有限体积法求解空间离散的RANS方程,结合S-A湍流模型,分别针对流线...     

Gurney襟翼改善翼型动态失速特性研究

采用CFD数值方法,研究了NACA0012翼型、加装传统Gurney襟翼及改进不对称Gurney襟翼后翼型的动态失速特性。给出了传统襟翼对翼型动态失速特性的影响,并带来较大动态低头力矩的不足,基于传统襟翼的不足,提出了改进的不对称Gurney襟翼方案。研究表明,不对称Gurney襟翼可较好改善翼型的动态失速特性,在增加动态升力的同时,俯仰低头力矩明显减小,可能是直升机旋翼的较理想翼型。     

基于IDDES方法的翼型结冰失速分离流动数值模拟

应用基于k-ωSST湍流模型的IDDES(Improved Delayed Detached Eddy Simulation)方法,就失速点附近翼型前缘典型双角状积冰导致的复杂分离流动进行了数值模拟研究.通过与风洞试验结果进行对比,表明对于此类分离流动问题,IDDES方法能够在壁面附近取得良好的速度预测结果,有效解析分离区域内的中小尺度湍流结构,较为准确地描述大尺度时均分离泡的再附位置和形态特征,适用于翼型结冰后复杂流动的精细分析.同时计算结果显示当此带冰翼型位于失速点附近时,角状冰后方脱落剪切层内部的旋涡不稳定析出和输运过程促进了外部流动与回流区域流动间的掺混,将导致流动发生非定常再附现象.     

OA212翼型主动流动控制的数值模拟研究

采用数值模拟的方法,探讨了基于零质量射流的主动流动控制技术对OA212旋翼翼型动态失速的控制效果和控制特性.以积分形式雷诺平均Navier-Stokes(N-S)方程为控制方程,采用格心有限体积法进行求解.空间离散采用AUSM~+-up格式,时间推进采用含牛顿型LU-SGS子迭代的全隐式双时间法,且引入了预处理方法和多重网格方法加速收敛.通过在喷口上施加非定常边界条件来模拟射流对翼型绕流的影响.研究了不同类型射流、不同位置射流以及不同控制参数(频率、相位、偏角、动量系数等)对动态失速控制效果的影响.研究表明:零质量射流和传统的定常射流均可减小动态失速迟滞环的回线面积,但在提高最大升力方面零质量射流明显优于定常射流;在12%c和62%c处施加组合零质量射流的控制效果最为明显.     

周向畸变条件下压气机失速先兆分布特征

在低速单转子轴流压气机实验台上开展了周向插板式畸变实验研究,通过安装在叶顶前缘的动态压力传感器和转子出口的梳状五孔探针获取不同插板高度下畸变进气失速特性,结合实验及数值模拟,并采用时域分析法和一维连续小波方法对失速先兆传播特性及失速先兆尺度进行了分析.研究结果表明,失速先兆总是在叶顶前缘位置首先出现,然后由叶顶前缘沿轴...     

等离子体激励抑制翼型失速分离的实验研究

进行了低速、低雷诺数条件下等离子体激励抑制NACA0015翼型失速分离的实验研究,研究了等离子体激励电压、激励电极数目和激励位置对流动分离抑制效果的影响.在翼型吸力面敷设不对称电极布局的等离子体激励器.在来流速度为4.27m/s,雷诺数为4.96×104的情况下,未施加等离子体激励时,从攻角为9°起翼型吸力面发生显著的前缘流动分离;施加等离子体激励后,流动分离在攻角小于26°的情况下均能很好地重附到翼型吸力面表面.实验表明,流动分离越严重,对等离子体激励的强度要求也越高,等离子体激励的电压和电极组数也必须相应增大;给定的流动分离状态下,等离子体激励的电压和电极组数存在一个阈值;等离子体激励的最佳位置在流动分离起始点的前缘;雷诺数增大后,流动分离更难抑制.     

Aerodynamic shape optimization for alleviating dynamic stall characteristics of helicopter rotor airfoil

In order to alleviate the dynamic stall effects in helicopter rotor, the sequential quadratic programming(SQP) method is employed to optimize the characteristics of airfoil under dynamic stall conditions based on the SC1095 airfoil. The geometry of airfoil is parameterized by the class-shape-transformation(CST) method, and the C-topology body-fitted mesh is then automatically generated around the airfoil by solving the Poisson equations. Based on the grid generation technology, the unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS) equations are chosen as the governing equations for predicting airfoil flow field and the highly-efficient implicit scheme of lower–upper symmetric Gauss–Seidel(LU-SGS) is adopted for temporal discretization. To capture the dynamic stall phenomenon of the rotor more accurately, the Spalart–Allmaras turbulence model is employed to close the RANS equations. The optimized airfoil with a larger leading edge radius and camber is obtained. The leading edge vortex and trailing edge separation of the optimized airfoil under unsteady conditions are obviously weakened, and the dynamic stall characteristics of optimized airfoil at different Mach numbers, reduced frequencies and angles of attack are also obviously improved compared with the baseline SC1095 airfoil. It is demonstrated that the optimized method is effective and the optimized airfoil is suitable as the helicopter rotor airfoil.     

旋转失速激振力作用下航空发动机转子振动特性

为分析转子系统在压气机旋转失速故障作用下的横向振动,针对某型航空发动机转子系统,根据Mansoux模型推导了旋转失速下的压力、流量脉动响应及旋转失速横向激励力模型,并结合不平衡力、碰摩力模型,建立了航空发动机转子系统的动力学模型.仿真计算了不同工况下旋转失速激振力对转子系统振动响应,通过轴心轨迹图、频谱图、Poincare图、Bode图分析了旋转失速激振力对转子系统稳定性的影响.结果表明:旋转失速引起压气机转子强烈的非线性振动,并主要是低频振动.研究成果可为航空发动机设计和振动监测提供技术支持.      

翼型动态失速影响因素及流动控制研究进展

深入认识翼型动态失速,结合有效流动控制手段,对解决直升机、风力机桨叶等动态失速引起的高阻力、大低头力矩等气动问题具有重要意义。本文首先介绍了翼型动态失速的流场特点和危害,进而分析了缩减频率、雷诺数、马赫数以及翼型型面等参数对动态失速的影响,并在此基础上总结了常见的动态失速流动控制方法及其研究进展。等离子体气动激励易于产生快速、可控的宽频带气动激励,在动态失速控制领域具有潜力,本文着重介绍了等离子体气动激励动态失速控制的概念和流动控制原理,总结了近来年等离子体激励在翼型动态失速控制上的进展。