广义涡格法对超音速侧滑翼的推广

1.引言 文[1]和[2]以线化小扰动理论为基础,提出了一个变换法则,可将无侧滑的常值面涡基本解推广为有侧滑情形(不限于小侧滑角)。应用到Woodward方法,对有侧滑情形,只要求与无侧滑情形一样划分小块。涡格法是较早出现的计算机翼载荷分布的方法,广泛应用于亚音速,但直到1976年以后才推广到超音速,出现了广义涡格法。由于涡格法的斜马蹄涡模型是小块弦长趋于零的常值面涡模型的极限情形,因此文[2]的变换同样适用于涡格法模型。本文目的,是用文[2]的变换将文[4]的广义涡格法推广应用到有侧滑的超音速机翼,确定由升力引起的滚转力矩。 2.基本方法与普通涡格法一样,将机翼划分小块,沿小块布置斜马蹄涡,见图1。     

跨超音速风洞中用强迫振动法测量滚转阻尼导数

本文对滚转阻尼导数天平的测量原理作了说明,并简要地介绍了使用的设备。在0.6×0.6米~2风洞中飞机模型和AGARD-B模型滚转阻尼导数的测量结果表明:在M=0.6～1.5围范内,飞机模型的实验值与试飞值有较好的一致性,AGARD-B模型在M=2和3时实验值与参考文献的数据有很好的一致性。为提高测量精度,尚需对设备系统作改进。     

带栅格翼导弹超声速阶段滚转阻尼导数的数值研究

滚转阻尼导数是判断导弹动稳定性的重要气动参数。采用求解定常流场的方法,对超声速阶段平板翼翼身组合体和栅格翼翼身组合体的滚转特性进行数值模拟,并与平板翼翼身组合体的实验数据相比,符合较好。计算结果表明,栅格翼的滚转阻尼导数变化复杂,由于弹体背风面分离流和栅格翼翼面失速的影响,滚转阻尼导数随着攻角增加有两次明显转折;平板翼的滚转阻尼导数随着马赫数增加逐渐减小,而栅格翼的滚转阻尼导数随马赫数同样呈现两次转折,在Ma=3.5达到最大值。     

超音速旋转弹翼式“X-X”型导弹弹翼部分的诱导滚转力矩

本文研究的对象是以小迎角、小侧滑角和一般超音速飞行的旋转弹翼式“X-X”型导弹。当它偏转弹翼进行俯仰和偏航控制时,弹翼部分的不对称绕流会在弹翼上产生不对称载荷分布,从而诱导出滚转力矩。本文主要依据空气动力学中的细长体理论;在这个理论关于厚度问题、迎角问题和侧滑角问题的基础上,著重对两对弹翼偏转一定角度后,因气动干扰而在弹翼上产生的各种气动载荷进行了研究,并由此得出了弹翼部分诱导滚转力矩的计算公式。可以看到,它的大小与导弹的飞行条件、气动外形和操纵情况有关,一般情况下它是不大的。     

柔性飘带的空气动力滚转阻尼特性

本文在试验分析的基础上,建立了子弹的柔性飘带空气阻尼特性的数学模型,并导出了相应的空气阻尼力矩系数的计算公式。算例表明,计算结果与试验值符合较好。     

细长翼分离涡的布涡计算法

 细长翼在迎角稍大时,前缘卷起螺旋状分离涡,使上表面压力降低,升力增加。涡襟翼技术也是利用前缘涡的这一特性提高升阻比的。为计算有分离涡的机翼特性,须研究分离涡层的卷起和涡层之间相互干扰的计算方法。早期Brown和Michael,Smith等在锥形流假设下,应用细长体理论计算过三角翼的气动特性。Sack和尹协远等放弃锥形流假设,用离散涡代替脱体涡层,但仍用保角转绘法处理横流面内绕翼面流动。这类方法对横截面形状较复杂的细长翼（如带涡襟翼的机翼）,因转绘函数复杂,计算困难。本文为避免转绘带来的困难,采用直接布涡法计算有分离涡的机翼气动特性。     

高超声速滚转阻尼导数数值模拟

采用非定常Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程描述物体简谐振动流场,并在Ｅｔｋｉｎ理论下给出绕定轴转动时滚转阻尼导数的计算公式,定常流场的计算采用空间二阶精度的交替方向隐式分解的ＮＮＤ格式,非定常流场的计算采用时、空二阶精度的Ｒｕｎｇｅ－Ｋｕｔｔａ多步格式,采用代数和方法生成物体静、动网格。最后给出高超声速下钝体外形滚转阻尼导数的计算结果,以及滚转力矩系数随瞬时振幅的变化曲线。     

超音速细长梯形翼背风面流型

给出了前缘后掠６５°、双弧形剖面的细长梯形翼背风面流动显示结果。实验Ｍａｃｈ数为１．１０,１．５３,２．５３,３．０１和４．０１,攻角范围为５°～２５°。应用蒸汽屏、纹影和油流技术拍摄了空间和表面流型照片。蒸汽屏显示表明：在机翼背风面三角形区域的空间流型随法向攻角αＮ（在垂直于前缘的平面内流速与弦线间的夹角）和法向Ｍａｃｈ数ＭａＮ（来流Ｍａｃｈ数在垂直于前缘平面内的分量）变化,并可在αＮ和ＭａＮ为坐标的平面上划分出７种流型存在的区域。侧缘区有侧缘分离涡形成;后缘有尾涡拖出。从纹影照片与横截面上的蒸汽屏照片对照可获得机翼锥面激波位置随Ｍａｃｈ数的变化;以及激波－诱导分离线位置随Ｍａｃｈ数和攻角变化曲线。机翼表面油流谱显示出了主再附线、二次分离线、二次再附线和侧缘涡区。显示出的流型与其他有关实验和数值计算结果比较符合得很好     

利用涡的有利干扰推迟翼涡破裂

本文通过测力和水槽流态观察试验研究了战斗机和导弹式的翼体组合体翼涡破裂的推迟措施。利用安置于机翼(弹翼)前方和机体两侧的大后掠、小面积的机体边条所产生的边条涡的有利干扰,可以有效地推迟翼涡的破裂,从而达到提高最大升力系数和临界迎角的目的,试验表明,安置在不同位置的机体边条均可不同程度地提高最大升力系数C_(Lmax),在适当位置时,可提高临界迎角α_(kp)达2°～3°。     

超音速底部流动的大涡模拟研究

超音速底部流动是CFD的难点问题之一。采用基于可压缩流动的大涡模拟方法求解N-S方程,对超音速底部流动进行了模拟研究,分析了其流动结构。计算结果表明：得到的速度型、底面压力分布与实验值吻合,优于雷诺平均方法的结果。     

栅格翼尾流中的发卡涡

介绍了在水漕中用氢气泡法显示的斜置蜂窝式栅格翼尾流流态 ,发现在中等迎角下 ,相交翼元的每个交叉处邻近壁面的尾流中 ,有伴随着壁面流动分离而周期性脱落的发卡涡 ,它们相互连接 ,形成“涡链”。还介绍了栅格翼尾流中发卡涡的主要流动特征 ,并对其产生的流动机理作了初步探讨。     

翼前缘分离涡破裂研究

本文分两部分,第一部分关于旋涡破裂的实验观察,分别从旋涡破裂类型、破裂区结构以及翼前缘分离涡破裂观察三个方面,概括了自1957年首次发现破裂以来,通过圆管内旋涡,水洞或低速风洞内的三角翼分离涡观察到的各类破裂现象,比较了旋涡和分离涡破裂结构之异同,指出影响翼分离涡破裂的更为复杂因素;第二部分关于旋涡破裂的理论研究,将现有的破裂理论分成三个分支,即波动理论,流体动力学不稳定理论,以及涡核模型。概括这些理论的各自发展过程,比较了它们之间的优缺点。 对某些感兴趣的问题提出看法,并给出我们最近关于细长翼分离涡破裂计算结果。     

细长三角翼滚转/侧滑耦合运动效应分析

通过耦合求解NS方程组和刚体动力学方程组,数值研究了80°后掠三角翼自由滚转/自由侧滑的耦合运动特性。通过与单自由度翼摇滚特性比较,发现滚转/侧滑耦合条件下三角翼的摇滚现象更为剧烈:在相同的滚转角下,耦合运动的滚转角速度更大,具有相同角速度时,耦合运动所达到的滚转角更大。研究表明:滚转/侧滑耦合条件下,涡流的非对称迟滞振荡仍是维持三角翼周期性等幅摇滚振荡的流动机理;摇滚过程中法向力的侧向分力是产生侧滑运动的主要原因;左滚右侧滑、右滚左侧滑是三角翼滚转/侧滑双自由度耦合运动的作动机制;侧滑运动的引入,导致迎角和侧滑角随滚转角迟滞变化,强化了三角翼摇滚过程中的迟滞效应,加剧流动结构的非对称特性。     

细长三角翼滚转/侧滑耦合运动的数值研究

 采用亚迭代耦合求解流体动力学方程和刚体动力学方程数值研究方法,建立无时间滞后的耦合数值手段来分析研究飞行器非定常的耦合运动特征,研究细长三角翼多自由度非定常的耦合关联运动。研究表明：在流动结构失稳后机体运动逐步形成极限环振荡的自维持运动,滚转力矩系数滞回曲线呈现典型的“双8”稳定形态;在滚转和侧滑两自由度下,三角翼进行“落叶式飘荡”耦合运动,自激滚转振荡更为剧烈。     

窄条翼导弹俯仰机动中滚转失稳及其控制过程

窄条翼布局导弹通常具有复杂的横向气动特性,在大迎角飞行及快速机动中很容易诱发出现滚转非指令偏离和连续振荡,可能导致飞行失控,影响落点精度。为了研究窄条翼导弹俯仰快速机动对滚转失稳的诱发过程及滚转失稳对俯仰机动控制效果的影响,并验证三通道解耦控制方法的有效性,针对典型俯仰机动过程,分别利用2.4 m跨声速风洞虚拟飞行试验平台和耦合气动/运动/控制的一体化数值计算方法开展了相关研究。结果表明,风洞试验和数值模拟均成功预测了俯仰拉起和保持过程中的滚转自激失稳运动及其引起的纵、横向耦合运动,针对该机动过程,三通道解耦控制方法能够有效抑制滚转运动,保持姿态稳定。     

大迎角体涡,翼涡干扰的Euler方程数值模拟

本文用Ｅｕｌｅｒ方程的简化区算法计算翼－身组合体绕流。当大迎角时，计算能自动捕捉到大后掠前缘的分离涡，机射的分离涡由强加Ｋｕｔｔａ条件生成，形成体涡与翼涡的相互干拢。本文对加长前机身的ＡＧＡＲＤ－Ｂ翼－射组合体模型，给出机射有分离和无分离时，横流截面的速度矢量分布、法向力和压力中心，分析体涡的影响。     

双三角翼及其翼身组合的滚转运动特性比较研究

采用Navier-Stokes方程与滚转运动方程耦合计算方法,比较研究了不同后掠角的双三角翼和翼身组合体的滚转运动特性,分析了机翼前缘后掠角及细长机身对非定常滚转力矩时滞环、动态流场结构和物面瞬时压力分布的影响。研究结果表明：主翼迎风面上的融合涡能量在80°/60°双三角翼上耗散较小,而在76°/40°双三角翼上耗散严重,这是造成两模型滚转力矩稳定性与时滞特性差异的主要因素;机身对气流的扰动作用,大幅增强了滚转力矩的线性分量;机身对气流的上洗作用,增强了边条涡与融合涡吸力及其时滞性,同时加剧了主翼背风面的两涡干扰;大滚转角时机身对横流流动的干扰,使得主翼背风面压力分布的时滞差异显著增加。该研究结果有助于认识后掠角与细长机身影响双三角翼滚转运动特性的物理机理。     

非定常薄翼脱体涡数值计算

本文考虑无粘、不可压缩流中平板薄翼在大迎角下气流沿边缘分离出现脱体涡时的非定常气动载荷数值计算。采用离散涡格法,从某一初始备件开始,计算一系列时刻机翼的非线性气动载荷以及脱体涡的几何形状,从而了解脱体涡的形成过程。当保持边界条件不随时间改变,则随着计算时刻的增加,结果趋近于稳态解。算例计有矩形翼、箭形翼。     

具有脱体涡的厚度翼绕流计算

本文发展了一种面元法(Panel Method),用以计算具有脱体涡的三元厚度机翼的空气动力。所采用的模型简单、直观,并能适用于具有不同翼型的任意平面形状三元机翼。该方法采用了平面四边形网格及由一个平行四边形和四个不共面的三角形组成的网格。在每一网格上布置了二次偶极子面分布,以确保较高的精确度。算例有矩形翼、后掠翼等。计算结果和可以找到的实硷数据及其它的理论方法做了比较,相互吻合是满意的。     

超音速有攻角钝前缘薄翼气动加热计算

本文基于小横流假设和长柱体计算关系,提出了一种有攻角薄翼的气动加热计算方法。它适用于超音速和低的高超音速范围,并可用于中等攻角和侧滑角。这种方法不需要计算出无粘流线的细节,并适用于不同外形的后掠翼。文中给出了理论计算与实验结果的比较。