高超声速湍流二维压缩拐角压力和热流分布的工程计算方法

1.引言 机动弹头控制翼上的压力和热流分布是工程设计者十分关心的问题。由控制翼引起的激波将和粘性边界层发生干扰,特别是当控制翼折角大于同样来流条件下的起始分离角时,边界层将在翼前分离,并在翼面上再附,从而使翼上及附近的流动变得十分复杂。对层流二维分离流动,数值计算给出了符合实验的结果。对二维湍流分离流的     

前体涡诱导双极限环摇滚流动特性的实验研究

通过摇滚/PIV/压力同步测量实验,对翼身组合体前体涡诱导的双极限环摇滚过程中流动特性及演化规律进行了系统的研究,并分析了前体涡诱导翼-身组合体双极限环摇滚的流动机理。实验结果表明,前体涡与机翼翼面流动的相互作用使模型在正负滚转相位处分别出现极限环摇滚运动;正负滚转相位过渡是模型运动惯性与气动力共同作用的结果。     

受限流动中激波诱导分离的结构分析

为了探索内流道中激波/边界层干扰引起的流动分离结构,采用RANS方法对马赫6来流下不同宽度、高度的带有20°楔角的矩形内流道流动进行计算,对内流道中分离结构开展了研究,重点关注了内流道下壁面中心区域分离的结构特征,比较了不同几何参数下的流动结构,总结其变化规律并简单讨论了各参数的影响机制。结果表明：内流道中激波诱导的分离具有复杂的三维结构,下壁面中心分离区涡结构呈“Ω”形,并通过两侧的旋风涡与侧壁面附近的分离发生质量交换。在给定来流状态参数的条件下,下壁面分离结构主要受宽度W(主要影响旋风涡之间的距离)和高度H(主要影响侧端分离尺寸及旋风涡与侧壁间距离)的影响。旋风涡之间的相互干扰是中心分离呈现二维特征或三维特征的关键。     

超声速湍流流动中平板-楔模型分离、传热和烧蚀试验研究

本研究之目的是为了模拟可控有升力飞行器周围的加热和压力场,研究受热表面的烧蚀现象,以便发展地面的实验能力。在电弧加热器上,利用超声速湍流平板技术,进行控制翼模型分离、传热和烧蚀实验。结果表明,由于翼角前有一条横缝,分离效应减弱,导致产生分离的最小翼角增大。由于分离流动影响,在翼上及其周围压力和热流升高,烧蚀速度大大增加。本文给出了有关的相关公式。     

基于DES方法的高超声速激波/边界层干扰的双微楔控制数值研究

高超声速飞行器在流场中通常会伴随激波/边界层干扰(SWBLI),其引发的流动分离将导致进气道性能下降。采用湍流离散涡模拟(DES)方法、结合有限体积离散方法与自适应网格加密(AMR)技术对来流马赫数为7.0的流场中SWBLI诱导的流动分离进行数值模拟,并分别采用单、双微楔对其进行控制。针对流场结构、近壁面流向速度、压力梯度及总压损失等参数,分析讨论了不同双微楔流向安装位置对SWBLI的控制效果。研究结果表明:双微楔产生的流向涡对与涡对之间的相互诱导促进了各自流向涡对之间的卷吸作用,使得双微楔对分离气泡的消除效果优于单只微楔;流动总压损失系数随着微楔后缘与分离气泡中心的距离的减小呈先减小后增加的趋势;综合讨论流向涡强度与形状阻力的影响,得到了双微楔最佳流向安装位置。     

平板-控制翼缝隙热流分布的激波风洞实验

1.引言 高超声速机动飞行器(如航天飞机、机动导弹等)的气动控制翼,为了转动灵活,在弹体和控制翼之间总有一定宽度的缝隙。出于翼前物面压力一般总是大于翼背风面的压力,因而形成了缝隙内流。这样,外物面边界层内的热气体流入缝隙内,产生了缝隙流气动加热及缝隙的热防护等问题。当翼转角足够大时,还会引起翼前物面边界层的分离再附,这对缝内流动有很大影响;而缝隙流反过来也会影响分离再附区的流动性质和整个弹体的气动力特性。控制翼引起的激波与湍流边界层相互干扰,本来就是很复杂的     

前体涡诱导机翼摇滚扰动控制高速风洞试验研究

通过在临界雷诺数范围内的翼身组合体自由摇滚试验,开展了前体涡扰动对机翼摇滚的流动控制研究。实验结果表明,通过对前体涡的控制可以有效消除翼身组合体摇滚的发生,添加头尖扰动的位置对控制效果具有明显影响,扰动在正侧向控制效果最佳,这种摇滚控制方式在较宽的迎角范围及马赫数范围内均有效。对前体涡诱导机翼摇滚的扰动控制机理做了简要分析。     

考虑压缩性的Langtry转捩模型对双楔平板附面层复杂流动数值模拟研究(英文)

使用一种修正基于当地变量加入压缩性修正进行转捩判断的转捩模型对高超声速下的双楔平板外形的激波/附面层干扰现象进行了研究,并通过数值计算考量了激波边界层中流场特性受高温壁和前缘钝度的影响。通过与实验数据的比较发现,在第1个斜坡存在层流边界层和层流分离现象,前缘钝度和壁面温度对Kink处的分离特性有着重要的影响,并通过和实验静压分布与纹影法得到的激波附面层比较,使用转捩模型得到了不错的结果。     

高超声速飞行器体襟翼局部分离流动数值研究

采用全Navier-Stokes方程的计算流体力学模拟技术研究了类HTV-2高超声速飞行器体襟翼局部分离流动特性,分析了不同飞行高度、壁面温度、飞行迎角等对流动分离特性的影响。研究表明:随着高度增加,壁面附近压力分布发生改变,沿着流向所形成的逆压梯度不断减小,使得体襟翼与飞行器表面附近的分离区减小;壁面温度增加导致压缩拐角(体襟翼与飞行器表面间)上游的流向速度梯度减小,即壁面粘性力减小,从而使分离区增大;随着迎角增加,压缩拐角内的逆压梯度增大,但上游流向速度梯度增加带来的黏性力增大更为明显,使流动更不容易发生分离,即分离区减小。     

低雷诺数下双元素翼帆的襟翼几何参数对其推进特性影响研究

为了研究大型船舶在航行中翼帆对其推进性能的影响规律,本文建立了一种双元素翼帆模型,并采用雷诺平均N-S方程在定常和非定常工况下对襟翼几何参数变化的模型进行数值仿真。结果表明,双元素翼帆气动特性的改变体现了襟翼旋转轴位置、襟翼偏转角以及缝隙宽度之间的非线性耦合作用。襟翼旋转轴位置的前移实际上是增大了缝隙宽度,进而增加了流过缝隙的流体,避免了主翼尾流的流动分离。然而,襟翼旋转轴位置的前移距离也受到襟翼偏转角的限制,在襟翼偏转角为25°、攻角为6°,当襟翼旋转轴位置由90%前移到85%时,襟翼吸力面发生了大尺度流动分离。襟翼旋转轴位置不宜过于靠前或靠后,当相对缝隙宽度为2.4%时襟翼旋转轴位置为85%较为合理。     

一种基于横向压力控制的前体流动特性分析

为了探究前体构型对进气道气动特性的影响,在相同的压缩角度及几何长度下,设计了升力体前体和类乘波体前体两种构型方案。就不同构型对前体/进气道气动特性的影响开展了三维数值模拟研究,并与进气道二维流动进行了对比分析。结果显示,相比于进气道二维流动,三维升力体和类乘波体前体构型在设计状态和不同来流攻角下均存在一定的横向压力梯度,导致进气道流量捕获能力降低,与二维流动差异较大,前者流量系数下降20.3%,后者下降9.0%。相比较而言,类乘波体前体在流量捕获能力及升阻比等方面性能更优。增大类乘波体前体宽度比和前缘角度,可以减小前体横向压力梯度,提高前体/进气道的流量捕获能力,前者提高了升阻比,而后者则降低了升阻比。     

机翼低雷诺数流动的数值模拟

通过SIMPLE方法求解非定常不可压N-S方程,研究了小展弦比机翼在低雷诺数下的流场特征,并分析其对气动特性的影响。研究对象为展弦比为1.0的平板矩形翼,进行了不同攻角的数值模拟,模拟雷诺数为1×105。分析表明:在小攻角时,主涡不断的从机翼上表面脱落;在大攻角时,受翼尖涡的影响,分离涡保持在机翼的背风面不脱落,形成驻涡。通过对流场分析,低雷诺数前缘层流分离和翼尖涡对小展弦比机翼的空气动力学特性起了决定性作用;使低雷诺数小展弦比矩形翼出现非定常、非对称和驻涡等现象。     

高超声速二维湍流分离流传热特性的实验研究

一、前言 高超声速流的分离再附问题,尤其是湍流边界层分离,引起了国内外气动研究工作者的广泛兴趣。为了解湍流分离再附区的基本流动机理和建立半经验的估算方法,国外在简单的平板-楔二维模型上进行了大量的实验研究,积累了很多实验资料,建立了一些经验关系式。但这些实验大都在楔角小于45度的模型上进行的。内斯特勒等人虽对平板-前向台阶模型测量了台阶前分离区的热流分布,但台阶面上只测得两三个位置的热     

基于双eN方法的翼身组合体流动转捩自动判断

发展翼身组合体复杂外形流动转捩自动判断方法,对高亚声速民机自然层流（NLF）机翼设计具有重要意义。使用多块结构化网格和三维雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程求解器,耦合边界层方程求解和基于线性稳定性理论（LST）的完全双e^N方法,发展了一套可同时计及Tollmien-Schlichting波和横流不稳定性扰动诱导转捩的翼身组合体流动转捩自动判断方法。对DLR-F4翼身组合体绕流进行了转捩自动判断,将得到的转捩位置与试验结果进行比较,验证了所发展方法的正确性。使用上述方法对配置自然层流机翼的中短程民机翼身组合体外形进行了数值模拟,并将结果与单独机翼的转捩位置进行了对比,结果表明机身三维位移效应增强了自然层流后掠机翼边界层的横流不稳定性强度,导致翼根转捩位置提前至前缘区。     

展向压力分布可控的前体/压缩面气动设计方法及其流动特性

为了诱导高超声速前体/压缩面近壁低能流形成强展向流动，提出了一种基于展向压力分布可控的高超声速前体/压缩面一体化气动设计方法。其基本原理为：给定外锥波后流场中某一个站位的展向压力分布，通过坐标变换求得对应点的空间位置，再基于流线追踪方法获得前体/压缩面的气动型面。研究结果表明：展向压力梯度是诱导前体/压缩面低能流排移的主导机制；在设计点（Ma=7.0、H=28 km）条件下，常规前体的展向压力梯度主要集中在一级压缩面，可在一级压缩面上形成偏转角3°左右的展向流动，但在后续压缩面上则展向流动较弱；相比常规前体，采用展向压力分布可控的前体，可以使0°～40°扇形角范围内的展向压力梯度增强7倍左右，并使一级压缩面上低能流偏转角增大5°左右，同时使二级和三级压缩面上展向压力梯度显著增加，综合效果可使诱导的低能流偏转角相比于常规前体的可增大7°左右，边界层厚度可降低超过20%，进气道扇形区内的总压恢复系数提高1.56%。     

立楔诱导的高超声速流动分离数值分析

高超声速飞行器进气道等关键部件引起的激波与边界层相互作用将导致流动分离,从而改变当地压力分布与局部受热情况,影响飞行稳定性与飞行安全,因此需要对高超声速流动的分离现象进行细致研究。采用高精度5阶特征型WENO格式与3阶TVD型Runge-Kutta方法,求解三维Navier-Stokes方程,对立楔诱导的高超声速激波与边界层相互作用引起的分离流动流场结构进行了细致的数值模拟与分析。结果表明,5阶特征型WENO格式分辨率远高于类TVD格式;Ma=6时得到清晰的激波结构、分离涡结构及其演化过程和壁面极限流线的拓扑结构,证明了WENO格式应用于高超声速分离流动的可行性与高分辨率;对不同来流Mach数的对比证明Mach数的增大抑制流动分离,导致分离涡减小。     

超声速来流与侧向射流作用下的三维流场结构

研究超声速流动与侧向射流作用下的三维流场结构对飞行器表面流体分离控制以及超燃发动机燃料混合等具有重要作用。基于大涡模拟(LES)方法和高阶TCD/WENO混合格式,对来流马赫数Ma=4,平板上侧向射流的流场结构特性进行了数值模拟。模拟结果表明,流场内的主要波系由弓形激波、分离诱导的激波以及桶形激波组成,这与相关实验结果相符。同时,计算结果还清晰显示了射流与主流相互作用下,射流上游的分离区流动呈现高度瞬态特性,分离区内旋涡结构不断变化,数目由2个到4个再到6个不断发展,平板表面流线复杂。射流尾涡摆动,涡管上扬,呈现非定常特性。     

粗糙壁面诱导的流动转捩数值模拟方法

为预测粗糙壁面诱导的流动转捩,对Langtry提出的γ-Re_θ转捩模型增加粗糙壁面的比耗散率和涡黏性的边界条件,并对模型中的经验关联函数——转捩动量厚度雷诺数进行修正,引入等效沙粒表面粗糙度作为变量,使模型具有一定的预测粗糙壁面诱导的流动转捩的能力.对粗糙平板自然转捩算例和变压力梯度平板绕流算例进行数值模拟,计算结果与风洞实验数据符合的较好.主要结论如下:表面粗糙度一般会增加边界层内的传热系数和阻力系数,同时使层流到湍流的转捩位置提前;自然转捩的转捩位置受表面粗糙度影响较大,与光滑壁面相比,平板算例中0.15mm的表面粗糙度使转捩位置提前40%;分离诱导转捩的转捩位置受表面粗糙度影响较弱,随着表面粗糙度逐渐增加,转捩位置和分离泡位置略有后移,且分离泡强度逐渐减弱,分离泡之后的阻力系数增加.      

细长三角翼的摇滚特性

本文对后掠角为80°的尖前缘平板三角翼的翼摇滚特性进行了实验研究,并与附加前体、立尾等不同布局的翼摇滚特性进行了比较。     

气流沿尖锐机翼边缘分离时的气动载荷的数值计算

 本文考虑定常、无粘、亚音速流中任意平面形状的平板机翼在大迎角下气流沿尖锐边缘分离出现脱体涡时的气动载荷数值计算。采用涡格法,对旋涡强度与前、侧缘脱体涡线和后缘尾涡线的位置进行松弛迭代计算,取得了收敛的结果。本方法对机翼平面形状没有限制,只要假定其尖边缘处气流产生分离。本方法还用于前后翼干扰计算,其中前翼被假定沿尖边缘产生气流分离。算例计有三角翼,矩形翼,箭形翼和后退梯形翼以及前后翼干扰等。不可压情况和可压缩流情况都分别进行了计算,计算结果与可以找到的实验数值进行了比较,结果很接近。