喷流对飞机尾流涡影响的试验研究

飞机产生的尾流涡,特别是大尺度的翼尖涡,对尾随其后的飞行器是非常有害的,本文旨在探索利用飞机发动机产生的喷流加速尾流涡消亡的方法。试验采用简化的飞机模型(有尾翼),建立了包含一对翼尖涡及一对反向旋转的尾翼涡(通过以负迎角安装尾翼得到)的4涡尾流系统。在无外来扰动的情况下,不同的尾翼设置下得到的尾翼涡对翼尖涡的作用效果不同,有的能导致翼尖涡提前消亡,有的则不能。考察了不同强度的喷流对不同4涡尾流系统的影响,且作为对比,对无尾翼(2涡系统)及无喷流下的各种情况也分别作了观测。试验在拖曳水槽中进行,运用体视粒子图像测速(SPIV)技术,观测了与模型拖曳方向垂直的、从机翼后缘到下游约45翼展间均布的一系列切面。结果表明:当喷流直接作用于涡时,其效果主要取决于两者之间的初始距离及相对强度;而当喷流作用于整个4涡尾流系统时,其引入的扰动对不同的系统均能起到一定程度的改善作用,这种作用的关键在于利用喷流优化对翼尖涡进行扰动的机制,而不仅仅取决于喷流的强度。     

ARJ21飞机尾涡在侧风条件下的近地演化数值模拟

尾流间隔是飞机起降安全的重要保障，也是制约机场效率的重要因素之一，而飞机尾涡的近地演化特性与规律是制定尾流间隔系统的基础和依据。因此，研究国产机型的尾涡近地演化特性与规律具有重要的现实意义。应用升力面模型初始化尾涡流场，采用自适应网格大涡模拟技术数值研究ARJ21客机尾涡在侧风条件下的近地演化过程，并分析在不同侧风条件下尾涡的演化与衰减特性。数值结果显示上游涡与下游涡演化具有不对称性，其中下游涡衰减更快，但移动距离更远，并且侧风越强尾涡衰减越快。此外，根据ARJ21尾涡的数值结果分析了不同机型跟随ARJ21进近时的安全性，发现重型机可不考虑其尾涡影响，而中型机和轻型机需根据气象条件选择合适的最小尾流间隔。     

基于ConvLSTM的飞机尾流时空预测

飞机尾流预测在动态尾流间隔系统中十分重要。通过结合激光雷达技术,提出了一种基于卷积长短期记忆网络(ConvLSTM)的飞机尾流预测模型,以预测激光雷达(LIDAR)的下一个扫描面。实验团队前期在深圳宝安机场使用激光雷达探测对尾流数据进行采集并进行预处理。然后,构建了ConvLSTM神经网络模型以对尾涡径向速度场进行外推预测。通过采集的数据对所建立模型进行训练、验证、测试。实验结果表明：模型能够有效对尾流进行时空预测,测试的RMSE值为3.30,证明了ConvLSTM在预测飞机尾流耗散演化的潜在用途。     

侧向风速对飞机尾流运动的影响

为了使机场雷达能实时探测和定位飞机尾流,对飞机飞行环境进行合理假设后提出了一个仿真尾流的保守被动模型,该模型能很好地描述尾流中水蒸气等物质的运动演化规律。综合考虑大气环境中风速对尾流的影响,利用该仿真模型对尾流进行了实时仿真,得到了不同侧向风速情况下,不同时刻尾流的状态分布等重要特性。通过分析侧向风速对飞机尾流运动过程的影响,证明了当侧向风速为1.0~3.0 m/s时是最危险的,所得结论可为飞机飞行过程中避免尾流的影响提供理论依据。     

ARJ21飞机遭遇不同前机尾流的响应和安全性研究

为研究在实际飞行中国产ARJ21飞机遭遇前机尾流时受到的气动力、力矩及飞行安全问题，基于经典尾涡模型和空气动力学响应模型，对ARJ21飞机遭遇尾流的响应和安全性进行了分析。首先，通过尾涡耗散模型和速度模型，建立了不同前机尾涡速度场；然后，根据ARJ21飞机空气动力学响应模型进行求解，得到其升力和滚转力矩；最后，将计算结果与过载增量指标和滚转力矩系数指标进行比较，分析了国际民航组织(ICAO)规定的中型机尾流间隔下ARJ21飞机的飞行安全性。研究结果表明：当ARJ21飞机以ICAO规定的中型机尾流间隔遭遇尾流时，过载增量均小于0.15(即处于无颠簸状态),最大滚转力矩系数均小于0.048;当滚转力矩系数在0.048～0.070时，相比于ICAO规定的中型机尾流间隔，ARJ21飞机跟随中型机的尾流间隔可以缩减2.2～2.7 km,跟随重型机的尾流间隔可以缩减0.7～1.8 km,跟随超重型机的尾流间隔可以缩减2.4～3.4 km。     

小展弦比飞翼标模三座高速风洞气动力数据相关性研究

为研究飞翼布局模型在不同风洞的测力试验数据的相关性,分析飞翼布局模型风洞测力试验精度水平,为以融合体飞翼布局为代表的未来作战飞机气动力试验精度提供参考,采用同一台测力天平及外形相同的尾支杆在国内三座1．2 m 风洞中对小展弦比飞翼标模进行了重复性试验和对比试验。试验结果表明,小展弦比飞翼标模风洞测力试验精度及不同风洞数据相关性与飞翼布局流动特性关系较大,在小迎角附着流状态,不同风洞的数据相关性较好,测力精度较高,随着迎角的增加,飞翼布局背风面前缘涡会发生破裂,涡破裂后不同风洞的数据相关性和试验精度都有不同程度的降低。跨声速条件下由于飞翼布局背风面复杂的流动特性,使得其试验精度较超声速略差。不同风洞数据的差异主要体现在升力特性拐点起始迎角、近声速附近马赫数的零升阻力系数和零升迎角方面。     

飞机尾流控制的SPIV实验研究

利用简化的飞机模型,通过改变尾翼的迎角及展弦比,试图建立一种能加速自我消亡的尾流涡系统。该实验在拖曳水槽中进行,运用SPIV（体视粒子图像测速技术）系统进行测量,获得了一系列空间切面的2D／3C（二维／三分量）数据,给出了三种不同尾翼情况（两种有尾翼情况及一种无尾翼情况）下的SPIV观测结果,并将这几种情况作了对比。     

新概念机翼尾流特性实验

大型飞机常采用开启襟翼以增大机翼升力系数,实现较大迎角的起飞和降落,而机翼在大迎角状态下,翼尖会产生能量集中且自由消散时间长的飞机尾涡,严重影响后续起降飞机的安全。基于Rayleigh-Ludwieg不稳定性,提出一种新概念飞机襟翼布局,通过水槽实验发现:新概念布局的襟翼对翼尖涡的消散具有明显的促进作用,不同参数组合下襟翼涡对翼尖涡的运动特性和能量变化的影响均有不同。实验结果也为飞机尾流控制的研究提供了参考,在满足飞行力学设计的基础上,合理运用增升装置构建四涡系统可以有效促进飞机尾流的消散,提高机场飞机起降效率。     

建筑物附近气流特征及湍流扩散的模拟试验

用非静力、能量闭合的大气边界层模式对建筑物附近的气流和湍流特征进行了模拟,为了检验模拟结果,将风场和湍流场输入到扩散模式获得了建筑物附近腔区和尾流区内的污染物浓度分布。结果与同样条件下的风洞测试的结果吻合。本文研究结果表明,在来流风速增大的情况下,建筑物下游的尾流区范围变化不大,而腔区范围增大,湍流运动增强。本文所用方法比采用拟合经验公式描述尾流、腔区的特征更能反映不同建筑物、不同来流的影响。     

大型水洞中螺旋桨尾流场PIV测试研究

以标准桨DTMB-P4119为试验对象,开展了螺旋桨尾流场测试分析。试验捕捉到了清晰的螺旋桨梢涡和尾涡的流动结构以及梢涡、尾涡片在尾流中的演化。分析比较了三种载况下的尾流特征,利用捕捉到的梢涡涡心坐标计算了部分涡线的螺距角。文章将测试结果与LDV测试数据进行了比较分析,结果表明,PIV与LDV对微观流动结构的测量取得了比较一致的结果。     

陷窝诱导涡结构数值模拟分析北大核心CSCD

为了澄清陷窝诱导涡结构及其对尾流的扰动方式,针对布置深宽比0.2陷窝的两平板间充分发展流动进行了稳态数值模拟。应用张涵信的旋涡沿轴线的非线性分叉理论分析表明陷窝内涡结构为失稳破裂的半涡环,总结了陷窝对尾流的扰动方式。研究发现,陷窝诱导的旋涡分离为螺旋点/鞍点/螺旋点分离。物面的分离螺旋点形成,在空间演化为垂直物面发展的对称类龙卷风涡结构。对称类龙卷风涡在对称面闭合形成半涡环。半涡环经历了从稳定升起、沿流向随着涡粘性扩散和涡粘性耗散下变得不稳定、到最后在强逆压梯度下泡型涡破裂的过程。半涡环涡破裂涡量散开诱导形成陷窝尾流的弱纵向涡和陷窝尖后缘绕流产生的边涡旋转同向,加强了陷窝后流场的对流强度。     

一种尾流消散动态预测的改进算法

尾流间隔是增大跑道容量的主要限制因素之一，为了在保持安全水平的前提下有效地增大跑道容量，可以对尾流消散进行动态预测，并据此缩减尾流间隔。研究了一种尾涡消散动态预测算法，该算法考虑了真实大气的大气分层、湍流、侧风、迎面风、风切变以及地效影响，并用一阶后向差分对该算法进行了离散化改进；在改进算法的基础上，时进近阶段尾流的消散在Matlab中进行了仿真计算；计算结果复现了尾涡的下沉现象和侧风对尾涡传输的线性累积效应。     

基于数值模拟的飞机近场尾涡特征参数计算

尾流间隔是飞机起降和飞行过程的安全保障。近场尾涡特征参数是尾涡远场演变和消散研究的基础，是缩减尾流间隔以提升机场及空域容量的理论依据。采用雷诺平均法数值模拟A320飞机尾涡的近场演化过程，对近场尾涡特征参数的计算方法进行了研究。结果表明：与Hallock-Burnham模型相比，Lamb-Oseen模型能更准确地描述近场尾涡速度分布；采用平均椭圆法计算的近场尾涡涡核半径比采用传统方法计算的精度更高；数值模拟中，A320机型更适合采用3～12 m的平均环量值来描述近场尾涡强度。     

陷窝诱导涡结构数值模拟分析

为了澄清陷窝诱导涡结构及其对尾流的扰动方式,针对布置深宽比0.2陷窝的两平板间充分发展流动进行了稳态数值模拟。应用张涵信的旋涡沿轴线的非线性分叉理论分析表明陷窝内涡结构为失稳破裂的半涡环,总结了陷窝对尾流的扰动方式。研究发现,陷窝诱导的旋涡分离为螺旋点/鞍点/螺旋点分离。物面的分离螺旋点形成,在空间演化为垂直物面发展的对称类龙卷风涡结构。对称类龙卷风涡在对称面闭合形成半涡环。半涡环经历了从稳定升起、沿流向随着涡粘性扩散和涡粘性耗散下变得不稳定、到最后在强逆压梯度下泡型涡破裂的过程。半涡环涡破裂涡量散开诱导形成陷窝尾流的弱纵向涡和陷窝尖后缘绕流产生的边涡旋转同向,加强了陷窝后流场的对流强度。     

CLT桨敞水性能的势流预报方法

为了提高面元法对尾流收缩叶梢负载（CLT）桨敞水性能的预报精度,通过修正常规面元法中的螺旋桨计算模型、尾涡模型和网格,改进预报CLT桨敞水性能的面元法计算理论。以CLT标准桨（P1727）为研究对象,从CFD方法模拟结果中,提取不同进速下的尾涡螺距和尾涡半径,构建双尾涡模型;提出混合网格划分方法,提高计算精度和效率。将面元法预报结果与国际拖曳水池会议（ITTC）实验数据对比,结果表明,在设计进速附近,推力系数和转矩系数的相对误差在5%以内,效率的相对误差在2%以内,满足计算精度。     

非定常激励下等离子体DBD诱导涡特性研究

在非定常激励下,等离子体DBD诱导涡是影响等离子体流动控制效果的关键因素,研究静止大气下DBD诱导涡结构特性对进一步理解等离子体DBD流动控制机理具有重要意义。采用高频PIV与高速纹影系统对静止大气下DBD诱导涡结构进行了研究,通过λ2法则分析了诱导涡涡核移动规律,获得了非定常激励下诱导涡的演化规律以及脉冲频率对诱导涡结构以及尺度的影响。在一定脉冲频率内,DBD诱导涡生成速率与脉冲频率一一对应,诱导涡涡核移动方向与壁面呈16°～21°,随着脉冲频率的增加,诱导涡尺度逐渐变小,且越来越靠近壁面。全文总结了不同脉冲频率下涡的相互作用以及黏性耗散对诱导涡发展过程的影响。     

飞机尾涡系Rayleigh-Ludwieg不稳定性实验研究

以飞机起降过程中主翼和尾翼产生反向涡系存在相互作用的事实为背景,设计了一套反向双漩涡发生装置。通过改变两涡的位置关系与初始涡强度比值,采用流动显示与粒子成像测速(PIV)技术,对涡系相交不稳定性的作用特性进行了研究。结果表明:小涡的引入改变了主涡原有运动轨迹,合理地引入小涡的位置与小涡的强度,对主涡能量的衰减有明显的促进作用,但它们之间不呈现明显的线性关系;涡空间运动轨迹的分析,对未来完善机场起降控制模型有一定借鉴意义;实验结果也为飞机整体设计提供了一定参考依据,在满足飞行力学的设计基础上,优化整体气动布局对降低飞机尾流强度有显著的影响。     

导流板对25°倾角Ahmed类车体尾流与气动阻力的影响

在雷诺数8．7×10^5的条件下,运用眼镜蛇探针、压力扫描阀和表面油膜流动可视化技术对倾角为25°的Ahmed类车体尾流与尾部压力分布进行了研究。对比了模型尾部斜面上边缘和两侧不同宽度导流板对模型尾流与气动阻力的影响规律。实验发现模型尾流中存在一对对称的拖曳涡,其在尾流中心线附近形成强烈的下扫流。拖曳涡强度与模型尾部压力分布和气动阻力有直接关系,较强的拖曳涡对应的模型尾部负压以及气动阻力均较大。斜面两侧导流板宽度为1％模型长度时,不仅无减阻效果,反而会使气动阻力增加约3．0％。当导流板宽度增加为2％和3％模型长度时,能够明显削弱斜面上的分离泡,对应的减阻效果分别为3．5％和7．2％。斜面上边缘导流板可有效地抑制分离流在斜面上的再附,并消除斜面上的分离泡,其抑制拖曳涡强度和降低气动阻力的效果明显优于同等宽度的斜面两侧导流板。上边缘导流板宽度为模型长度的1％,2％和3％时,减阻率分别可达9．3％,10．7％和10．9％。     

飞机尾流的快速建模方法

尾流的强度主要由飞机的飞机重量、飞行速度和机翼形状所决定和仿真尾流的保守被动模型可很好的描述尾流系统中水蒸汽、位温等保守被动量的运动演化规律,但这种参数仿真时间长、对计算机要求高,不能实时预测任一机型所产生的尾流的状态分布特性.为此提出了一种尾流的快速建模方法,很好的解决了以往尾流实时仿真时的缺点,为飞机飞行过程中实时预测前机尾流的影响区域提供理论依据,从而减少尾流事故的发生.      

风洞模型-支撑系统涡激振动测量与分析

以0.55m×0.4m低湍流航空声学风洞某模型及其支撑系统为研究对象,采用基于加速度传感器直接测量支撑系统和热线间接测量模型尾流相结合的方法,测量并分析了风洞模型-支撑系统的涡激振动模态,给出了测量方案和数据处理方法。采用基于加速度传感器的功率谱分析方法,获得了模型-支撑系统的三阶振动频率分别为31.1、120.9和221.4Hz;采用基于加速度传感器的频域滤波和频域积分方法,提高了有效信号的信噪比,获得了模型-支撑系统振动的振型和振动节点位置;采用热线测量模型尾流分离涡脱落频率的方法,获得了模型一阶和二阶振动的尾流涡激频率分别为31.1和124.1Hz,并从测量尾流速度脉动量获得了模型振幅变化和抖振边界信息。实验结果表明,采用热线测量模型尾流从而分析模型振动的方法,有利于小尺度的模型振动测量,而且相对于加速度传感器装于模型表面的直接测量方法而言,对试验模型的绕流流场干扰较小,为测量风洞试验模型的涡激振动模态提供了一种方法。