模型振动对风洞实验数据分散性的数值模拟研究

研究模型振动对风洞实验结果的影响对于修正风洞实验数据和加深空气动力学的理解具有重要的现实意义。基于κ－ω的SST两方程湍流模型,在时间域求解雷诺平均N—S方程,研究了模型振动在不同迎角下流场和气动力的变化规律。结果表明：模型振动在小迎角条件下对气动力测量结果几乎没有影响,但在大迎角存在一定分离的条件下,可以引起分离涡的非线性演化,导致气动力平均值的改变,从而引起风洞气动力测量值的分散性。结论从物理机理上解释了大迎角风洞实验的重复性和数据分散性。     

风洞模型变形单相机测量误差分析与补偿算法

从描述像空间坐标与物体空间坐标之间几何关系的共线方程出发,推导了风洞模型变形单相机测量试验中展向坐标不变假设诱导的物体空间坐标计算误差的公式。针对2m量级风洞试验段,分析了相机位于不同安装位置对坐标计算误差的影响。基于弹性变形中大展弦比风洞模型剖面近似保持刚性的物理特性,提出了一种展向位移补偿算法,用于减小或消除展向坐标不变假设诱导的空间坐标计算误差。最后,采用数学仿真方法对提出的展向位移补偿算法进行了评估,数据结果表明:在模型表面RX/RY和RZ/RY存在奇性、空间坐标计算结果误差较大需要修正的情况下,该补偿算法可以得到比较准确的展向位移计算结果,从而将空间坐标计算误差控制在比较合理的范围内。     

风洞试验中模型迎角视觉测量技术研究

 发展了一种基于双相机的风洞试验模型迎角视觉测量技术。即在风洞模型表面绘制或喷涂一些高对比度的标记点,采用两台400万像素的工业相机采集模型的运动图像,然后求解图像的共线方程获得模型表面标记点的三维空间坐标,利用表面标记点坐标最小二乘拟合出一条空间直线,通过不同时刻空间直线单位方向矢量的变化计算出模型的迎角变化。利用精密电子倾斜仪对迎角视觉测量系统进行静态标定,结果表明:迎角视觉测量系统的准确度在0.01°以内。迎角视觉测量系统在2 m超声速风洞中对一尾支撑无主测力天平铰链力矩测量模型的实时迎角进行了测量,结果表明:系统具有很好的响应特性,可以作为风洞试验中迎角测量的一种有效方法,尤其是用于无主测力天平时模型真实迎角和支杆弹性角的测量。     

高速风洞试验模型姿态角的视频测量及不确定度研究

高速风洞测力试验中,阻力系数精度σc x的先进指标为0.0001,按误差分配原理,要求试验模型迎角的测量精度σα≤0.01°。为此,研究风洞试验中模型姿态角视频测量及其不确定度,给出其系统误差的补偿方法。实测数据（马赫数为1.5、2.0、3.0和4.0）表明：在2m暂冲式超声速风洞试验中,各阶梯迎角测量数据的标准差（含风洞气流脉动致模型姿态角振动产生的误差）在0.0018°和0.0094°之间,迎角实测估计值的标准不确定度≤0.003°,由此可知,姿态角视频测量系统的σα≤0.0094°。本方法既不破坏模型的外形,又不改变模型的刚度与强度,具有实用价值。     

非零侧滑角大迎角细长体侧向力控制规律实验研究

通过风洞实验方法研究了非零侧滑角状态下,大迎角细长体模型的侧向力和偏航力矩变化规律。并且应用主动流动控制技术,对非零侧滑角模型的侧向力和偏航力矩加以控制,研究其有效控制的侧滑角范围和控制规律。研究结果表明:在迎角α=55°、侧滑角β=-24°~+24°范围内,改变细长体模型头部微扰动摆振片的平衡周向角位置(有效周向角位置在±16°之间变化),模型侧向力和偏航力矩呈线性变化规律。此项力和力矩线性控制技术为飞行器在大迎角高机动飞行发生侧滑时,实现恢复及保持安全姿态飞行,提供一种有效飞行控制新方法。     

三维非定常流场显示与测量

给出80°三角翼和Λ机翼模型低速三维非定常流场显示和测量结果,包括大迎角和大滚转角时前缘涡跳动频率及相应模型的抖动频率测量,模型作大幅度振动时流动图象的相位平均测量,以及由平行6片光经三维重建得到空间流动图象.测量结果表明,获得了在大迎角下模型抖动是由前缘涡的非定常跳动引起的这一新的流动机理.作为一种新的测量技术和新概念,模型大幅度振动时流动图象的相位平均测量,提供了研究非定常涡特性和定量确定涡核位置的有效手段.类似核磁共振(MRI)图象处理,由平行6片光流动显示经三维重建得到空间图象,对于分析涡的破碎、绕合、再附等现象是流动显示技术的新进步.     

一种飞行迎角和侧滑角解算方法研究

水陆两栖飞机的机身外形复杂,采用单一迎角传感器难以消除侧滑角的影响。对某大型水陆两栖飞机的前机身模型进行风洞试验,根据机身两侧迎角传感器受侧滑角影响的特点,在机身两侧对称位置安装迎角传感器,研究左右两侧迎角传感器的测量值随模型迎角、侧滑角的变化规律;根据左右两侧测量值的均值和差值,反算得到飞行迎角和侧滑角,并对此迎角、侧滑角解算方案进行试飞验证。结果表明：机身两侧安装迎角传感器可以消除侧滑角影响,从而得到准确的迎角信号,还可根据左右迎角差值计算得到侧滑角,采用机身左右两侧的迎角传感器解算飞行迎角和侧滑角是可行的。     

圆锥高超声速湍流边界层转捩试验研究

主要介绍了一种用于高超声速湍流边界层表面参数测量的试验方法,利用边界层的表面热流值,作为判断边界层转捩与否的依据,开展边界层攻角效应转捩特性试验研究.试验在我院FD-20炮风洞中进行,马赫数为6,试验模型是半锥度5°的圆锥模型.开展了对于圆锥模型,头部半径对转捩位置的影响,小攻角情况下对圆锥模型转捩位置的影响,并且获得了在2°和3°攻角情况下圆锥模型的攻角效应转捩全局曲线.试验结果证实了,在小攻角下,随着攻角的增加,边界层迎风面转捩位置向后移动,背风面转捩位置向前移动.     

带迎角钨杆斜侵彻铝板数值仿真研究

为研究迎角对钨杆斜侵过程的影响,开展了带迎角钨杆斜侵彻铝板数值仿真研究。仿真中采用SPH方法,Shock状态方程和Steinberg本构模型。钨杆共有两种尺寸,分别为Φ10mm×23mm和Φ10mm×46mm。铝板厚10mm,撞击速度为2km/s,撞击角度为60°。为简化分析,将迎角分解为俯仰角和偏航角,其中俯仰角范围为-90°～90°,偏航角范围为0°～90°。对钨杆侵彻过程的分析结果表明：斜侵彻存在临界迎角,在临界迎角范围内钨杆所受力矩可忽略不计;在临界迎角范围外,钨杆将发生弯曲甚至折断。对钨杆的剩余质量分析结果表明：当偏航角为0°且钨杆未折断时,剩余质量只在较小的范围内变化;当俯仰角为0°时,剩余质量随迎角增加线性减小。对钨杆的剩余速度分析结果表明：偏航角对剩余速度的影响与俯仰角对剩余速度的影响基本一致,剩余速度曲线关于0°迎角基本对称。根据仿真结果,采用曲线拟合的方法给出了钨杆斜侵彻铝板的剩余速度经验公式。     

风洞试验中模型迎角的视频测量及精度研究

模型迎角的准确测量是获得高精度风洞试验数据的基础（如失速点与最小阻力点的准确迎角值是飞行器研制与改型的关键数据）。为此,提出风洞试验中模型迎角的视频测量方法,分析其测量精度。2m超声速风洞中的多个迎角视频测量实例表明：该方法的迎角测量精度≤0．01°,可清晰分辨幅度为0．01。的迎角振动过程,而且该方法既不破坏模型的外形,又不改变模型的刚度与强度,测量精度不受模型振动影响,具有实用价值。     

基于单应性矩阵的模型迎角单目视频测量方法

风洞试验中模型迎角的精准测量是降低阻力系数误差的重要途径之一,为此,提出了基于单应性矩阵的模型迎角单目视频测量方法。该方法通过两个单应性矩阵,获取试验过程中相机实时位姿和标记点物方空间位置坐标,应用坐标旋转关系,完成试验模型的迎角测量。数值仿真试验结果表明：迎角测量误差与待测标记点到风洞壁板间的距离偏差近似为线性关系,因此,当标记点不满足共面条件时,可根据该特点进行测量误差修正。静态标定和风洞迎角测量试验结果表明：修正系统误差后,迎角实测数据的测量准度在0.01°以内,精度不超过0.012°。本文方法易于实施,工程实用价值强。     

带边条翼导弹滚转稳定性分析

为了分析带边条翼导弹模型的非线性自由滚转运动及滚转稳定特性,采用理论分析与动态测力试验、滚转自由度释放测量试验相结合的方式,对低速来流条件下模型0°~60°迎角范围内的滚转运动、滚转稳定特性随迎角变化的规律进行了研究。在10°迎角时,模型在4个"+"形位置是滚转静稳定的并且在"+"形位置上滚转运动保持平衡;迎角大于20°的范围内滚转静稳定的平衡位置变到4个"×"形位置上;并且迎角为20°时模型在"×"形位置滚转保持平衡,迎角大于30°后模型产生滚转极限环自激振荡运动,迎角达到60°时模型的滚转运动发散演变为高速旋转的形式。研究结果表明:模型滚转运动的形式决定于滚转力矩的静、动稳定特性。     

基于双圆特征的无人机着陆位置姿态视觉测量方法

提出了一种无人机自主着陆位置姿态的单目视觉测量方法,建立了机载摄像机的运动和投影模型。设计了新型双圆图案着陆平面靶标,采用双圆的8个公切点,产生21个具有透视投影不变性的特征点,并提出了在复杂背景中全自动双圆特征的图像提取新方法及标记特征点的方案,实验表明,768×576像素大小的图像,特征提取及标记耗时小于9ms。仿真试验表明,摄像机距离靶标10m左右,噪声偏差达到1.5像素时,单轴位置RMS误差小于6cm,单轴姿态RMS误差小于0.7°,所提出的算法具有很强的抗噪声能力,能够满足无人机自主着陆位置姿态实时测量的要求。     

基于多传感器信息融合的物体位姿检测方法

 提出了利用摄像机和超声传感器信息融合对机器人操作对象进行位姿检测的方法。该方法通过单幅图像获取目标点在图像中的理想坐标,求得投影矢量的方向,然后通过机器人末端的运动,导引超声传感器坐标原点与未移动前摄像机坐标系的原点重合,而其Z轴方向与求得的投影矢量方向相同,再由超声传感器测出投影矢量的长度,从而确定目标点在摄像机坐标系中的坐标,并可进一步转换到机器人基坐标系中。通过测量操作物体上两点的空间坐标,就能够确定物体空间姿态。该方法简单易行,计算量小,精度较高。     

动态三角翼的气动特性及参数影响分析

 给出了0°～90°范围内振荡三角翼的测力实验结果,并给出了不同前缘后掠角、振荡频率和转轴位置对三角翼法向力系数的影响,进而讨论了有关参数影响产生的机理。     

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。     

一种鼻锥钝化高超声速轴对称进气道流动特性实验

前缘钝化尺度是高超声速进气道设计中的关键参数。针对一种前体锥加弯曲压缩面的高超声速轴对称进气道,选取最大尺度为3.2mm(5%唇缘半径)的几种典型鼻锥钝化半径,在马赫数Ma=6来流,及模型安装攻角为0°、4°、7°的条件下开展鼻锥钝化尺度对进气道流动性能影响的实验研究。采用纹影拍摄及压力测量记录各来流条件下进气道前体流场结构及壁面压强分布,并在无攻角来流条件下利用微型扰流器进行边界层强制转捩研究。结果表明,对无攻角来流而言,即使是尺度高达3.2mm的钝化半径对进气道前体流场结构及壁面静压分布也基本没有影响。此来流条件下,几种不同鼻锥钝化半径的前体压缩面均出现小范围流动分离,而添加扰流器后该分离区均消失。钝化尺度的影响随着攻角的增加而显现,尽管不同鼻锥钝化尺度下迎风面流场及壁面压强分布几乎没有差别,但背风面随钝化尺度增大表现为边界层明显增厚、流动趋于不稳定。其中最大钝化尺度R=3.2mm的构型在4°攻角来流时背风面即出现明显的分离区,而7°攻角来流时背风面更是出现大范围流动分离、进气道背风侧不起动,并导致进气道内部壁面压强显著下降。     

三角翼大迎角风洞试验支架干扰数值模拟研究

现代战争要求战斗机能够在大迎角（AOA）状态下进行过失速飞行,对飞机大迎角绕流流场的研究主要的方法有风洞试验和数值模拟。在大迎角风洞试验中,常用的是尾支撑方法,支架的存在会对模型的试验结果产生一定的影响,本文通过数值模拟来对这个影响进行研究。以开源计算流体力学软件OpenFOAM 2.3为平台,采用PIMPLE算法求解Navier-Stokes（N-S）方程,PIMPLE算法是SIMPLE（Semi-Implicit Method for Pressure-linked Equations）算法和PISO（Pressure Implicit with Splitting of Operator）算法的结合体;采用基于有限体积的空间离散方法和空间二阶精度的线性插值方法,时间离散采用后向差分方法,湍流模型采用SA-DDES（Spalart-Allmaras-Delayed Detached Eddy Simulation）模型。为了验证方法的可靠性,首先对0°、10°、30°、50°、70°以及90°迎角下的有支架三角翼绕流流场进行计算,并将计算结果与试验结果进行对比,两者吻合较好。在此基础上,数值模拟了无支架的三角翼绕流流场,对比有/无支架情况下数值模拟结果,得到支架对三角翼绕流流场、背风面压强分布和气动力的影响。计算结果表明：大迎角情况下,有支架与无支架时相比,支架的存在会影响三角翼附近的流场（但是不会改变涡系等流动结构）、改变翼表面压强分布,从而导致三角翼的法向力系数和俯仰力矩系数发生明显变化。     

模型变形视频测量的相机位置坐标与姿态角确定

高速风洞试验中的模型变形视频测量（VMD）要求双（多）相机大角度大重叠的测量方式,而通过现有共线方程的线性化模型难以取得高精度的相机位置与姿态角,故推导包含共线方程泰勒展开二次项的非线性误差模型,建立3控制点的VMD相机位置与姿态确定技术。多个工程实例表明该技术能取得高精度的相机位置坐标与姿态角,有实用价值。