连接翼布局气动特性研究

在一个小型低速风洞中进行了五种不同布局形式的连接翼方案实验研究。利用油流法研究了三种连接翼的流谱,初步分析了具有连接翼飞机的气流流动机理。为比较,同时对三角翼常规布局方案进行了实验,所有方案使用相类似的隐身布局机身。实验结果表明,连接翼布局有其特有的流型:翼面分前翼、后翼及外翼三部分,其流型受前翼涡、后翼涡、翼端涡、机身边条涡以及它们互相缠绕形成的新涡的控制。这些涡的产生、发展、离体和破裂的情况不同,形成不同方案气动特性的差别。连接翼布局气动特性优于常规翼布局,特别是最大升阻比可达12以上,失速迎角超过30°。通过前后翼后缘操纵面的有利组合,可以达到提高升阻比,满足纵、横向稳定性和操纵性要求的目的。结果显示,具有扁平机身的连接翼方案是一个有潜力的无人机布局形式。     

扰流片对三角翼脱体涡影响的实验研究

在染色法流动显示实验的基础上,进一步深入研究了扰流片在不同标高攻角和来流速度情况下对70°三角翼脱体涡的影响。PIV测试结果表明,在适当位置,扰流片对三角翼的脱体涡的破裂具有一定的延迟作用,在扰流片的诱导涡与三角翼脱体涡方向一致时,脱体涡破裂延迟越靠后。     

双三角翼前缘剖面形状对涡运动的影响

采用数值模拟和理论分析相结合的方法,研究了前缘剖面形状对双三角翼涡运动的影响,分析了前缘剖面形状对三角翼、双三角翼涡运动影响的不同机理 :对三角翼,尖前缘可以形成组织最好的涡结构,但对于双三角翼,圆前缘生成的旋涡结构较靠近翼面,涡结构紧密,诱导能力较强,可以形成有利的涡涡干扰,使内翼涡通过剪切层向外翼涡输入涡量更加容易,合并涡变得更加稳定,推迟了涡破裂,而且由于涡较靠近翼面,因而可以产生较高的非线性涡升力,这同传统的认识是不一致的。     

机身边条对双三角翼飞机升力特性的影响

通过低速风洞测力试验和七孔探针对空间流场的测量,研究了机身边条对双三角翼飞机升力特性的影响,并分析了机身边条的增升机理。研究表明机身边条在攻角12°以后使升力有了很大提高,这是由于机身边条产生的边条涡在一定迎角下与内翼涡相互诱导、相互作用,内翼涡使边条涡向机翼内侧移动,而边条涡则将内翼涡向外推,并使内翼涡的强度增大,两者的作用提高了双三角翼内翼上的涡升力,起到增升的作用。     

翼刀对双立尾／三角翼立尾抖振的影响

在北航的水槽和风洞中进行了加装翼刀的75°后掠双立尾／三角翼的立尾抖振实验,目的是研究翼刀对立尾抖振的影响。采用了流动显示、立尾表面动态压力测量、激光测立尾顶部加速度的实验来检验翼刀对立尾抖振减缓的效果。流动显示的实验结果表明三角翼前缘涡涡核从翼刀上方经过时,会提前破裂,这在一定程度上减弱了前缘涡。激光测立尾顶部加速度实验的结果表明,在28°到48°这段立尾抖振比较显著的迎角范围内,B1立尾位置的立尾抖振强度曲线比无翼刀的曲线数值上有明显的减小,抖振得到一定的改善。立尾表面动态压力的脉动强度也有明显的减小,频谱分析也能得到前缘涡提前破裂的结论,前缘涡的提前破裂起到了减缓立尾抖振作用。     

鼓包对双立尾/三角翼立尾抖振的影响

为了研究鼓包对立尾抖振的影响,在北航的水槽和风洞中进行了在机翼头部放置了鼓包的75°后掠双立尾-三角翼的立尾抖振实验,采用了流动显示、立尾表面动态压力测量、激光测立尾顶部加速度的实验来检验鼓包对立尾抖振减缓的效果。流动显示的实验结果表明三角翼机翼头部加上鼓包后,前缘涡涡核会发生弯曲和扭转,这在一定程度上减弱了前缘涡。激光测立尾顶部加速度实验的结果表明,在25°到48°这段立尾抖振比较显著的迎角范围内,A1立尾位置的立尾抖振强度曲线比无鼓包的曲线数值上有明显的减小,抖振得到一定的改善。立尾表面动态压力的脉动强度也有明显的减小,前缘涡涡核的弯曲和扭转起到了减缓立尾抖振的作用。     

连翼机低速气动特性实验研究

连翼机具有前、后机翼,前翼后掠上反,后翼前掠下反;后翼在前翼展60％～100％之间与前翼相连。其前视图和俯视图均构成菱形。在低速风洞中对连翼机进行了纵向及横向测力实验,其中包括前、后翼几何参数改变对气动特性的影响。实验表明,与常规飞机相比连翼机具有如下优点:诱导阻力小,升阻比大且具有较好的失速特性。改变连翼机前翼上反角和后翼下反角对纵向气动特性影响不大,对横向气动特性有明显影响。减小前翼外段的后掠角可使俯仰特性得到改善。     

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。     

后缘喷流对三角翼前缘涡的影响

本实验应用染色液流动显示技术和激光测速技术 (LDV)研究了 6 0°后掠三角翼在后缘差动喷流、对称喷流情况下前缘涡破裂位置、涡核的空间分布、涡核的速度分布以及三角翼背风面流动结构随迎角的演化等。实验结果表明 ,喷流增大了三角翼前缘涡涡核保持高速度的区域 ,推迟了涡核减速的位置 ,在大迎角情况下 ,对称喷流有助于消除由前缘涡振荡引起的“摇滚”现象。     

纳秒脉冲等离子体激励控制小后掠三角翼低速绕流试验

为探索纳秒脉冲介质阻挡放电(NS DBD)对小后掠尖前缘三角翼的流动控制效果和作用机理,进行NS DBD用于改善其气动特性的测力试验和流动显示试验。当来流速度分别为30m/s和45m/s时,测力试验结果表明位于机翼前缘的NS DBD能很好地改善三角翼大迎角气动特性,其中来流速度为45m/s时最大升力系数提高了18.3%;研究了脉冲激励频率对流动控制效果的影响规律,最佳的无量纲激励频率F+≈1~2。在来流速度为20m/s时,采用粒子图像测速仪(PIV)研究了不同迎角下激励前后机翼背风面流场,表明NS DBD可改善上翼面旋涡结构,使分离涡附体并得到加强。基于试验结果,认为NS DBD进行三角翼前缘涡控制的机理是激励诱导分离剪切层周期性产生附体的分离涡,从而维持了上翼面大迎角时的涡升力。     

绕三角翼流态中的某些定常与非定常特性研究

利用流动显示及片光技术，对绕三角翼流动中的某些非定常特性进行了研究。首先在涡面剪切层中发现了两种不同的小涡结构。进而对涡破裂点脉动做了系统的观测，发现在破裂点很靠近顶点的迎角下，脉动主频突然增大。此外还对三角翼涡破裂形态做了细致的分析，提出了泡状破裂在一定程度上可以看成螺旋破裂并给出了实验结果，提出了三种特殊的破裂形态。     

上仰三角翼的流动与频率特性

在水洞和风洞中分别完成了上仰三角翼的流动显示和动态测压试验,目的是研究上仰-停止三角翼的流动和频率特性。水洞中的流动显示试验结果表明,在不同的上仰迎角范围和不同的简化频率k值下,三角翼前缘涡破裂点的位置变化是不相同的。通过分析在风洞中测得的三角翼做上仰运动时的压力信号的结果表明,在破裂涡区中,在相同的名义迎角下,无量纲螺旋波的主频比静态时的高,且k值越大无量纲螺旋波频率越高。不同后掠角的三角翼均能得到相似的结论。     

PIV测量非定常自由来流中的三角翼前缘涡

在南航非定常风洞中,运用PIV测量技术,研究了非定常自由来流下三角翼前缘涡瞬时涡结构的变化。通过分析三角翼前缘涡速度矢量、涡量以及流动拓扑结构的变化可知,在减速过程中,破裂的前缘集中涡重新卷起,形成涡量较强的集中涡,横截面流动拓扑结构显示,流动结构从不稳定的焦点变成稳定的极限环,这也就说明前缘集中涡的破裂点位置向下游移动;在加速过程中,集中涡很快破裂,涡量随之减小,流动拓扑结构从稳定的极限环变成不稳定的焦点,前缘集中涡的破裂点位置向上游移动。分析认为外部压力梯度的变化可能是导致涡破裂位置移动的原因。     

涡破裂诱导的垂尾抖振气动弹性分析

通过试验方法分析了三角翼前缘分离涡与垂尾抖振之间的关系,深入研究了尾迹流动对垂尾抖振各阶模态的激励作用。计算得到了垂尾模型固有频率及各阶模态。在风洞试验中,应用激光片光烟流场显示技术,得到了三角翼模型在风速为30 m/s下,各迎角的涡结构;使用加速度传感器测量了垂尾翼根和翼梢的抖振响应;使用热线风速仪测量了垂尾翼根和翼梢位置的脉动速度分量。结果表明:前缘涡破裂后产生的高湍流度的尾迹是垂尾抖振的直接原因,抖振边界与涡破裂的强度和位置有关;涡破裂后尾迹与垂尾产生共振,使得抖振加速度响应频率与垂尾固有频率一致;涡破裂后,在较小迎角下,尾迹对垂尾的高频振动模态的激励较为明显,在较大迎角下,涡破裂流动对垂尾低频振动模态的激励加强了。     

动态复杂流动显示

本文给出不同后掠角的三角翼模型在低速风洞中大幅度俯仰运动时和带鸭翼飞机模型主翼面上的动态流显示；分析了动态流动迟滞特性的流动机理及缩减频率的影响和鸭翼涡对主翼涡的干扰影响及随鸭翼振动时主翼涡位置、强度、涡破散点位置的变化。     

绕跨声速三角翼的激波/涡干扰流场数值模拟

 在绕三角翼的跨声速流动中,随着迎角的增加,三角翼上的涡破裂位置会出现突然前移的现象。针对这一与亚声速下不同的流动现象,采用带曲率修正的Spalart-Allmaras(SAR)湍流模型,求解定常雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程,对不同迎角下绕65°后掠尖前缘三角翼的跨声速流动进行数值模拟,并在此基础上,采用基于SAR湍流模型的脱体涡模拟(DES)方法,对由激波干扰导致的前缘涡破裂位置的运动规律进行了初步探讨。模拟结果与试验结果对比表明:SAR湍流模型能准确地模拟出三角翼上的激波系统和旋涡结构,并能准确模拟出由于激波干扰导致的涡破裂位置突然前移的现象。此外,对涡破裂后流场的非定常数值研究发现,支架前端正激波的干扰作用使得涡破裂位置向下游移动比较突然,而向上游移动则相对缓慢。     

低雷诺数下50°后掠三角翼的旋涡流动

采用数值模拟和流动显示的方法研究了50°后掠角三角翼在低雷诺数下的旋涡流动,结果表明:低雷诺数下,非细长三角翼在5°攻角时就形成了稳定的前缘涡,较小攻角时前缘主涡就开始破裂,并观察到泡型和螺旋型两种旋涡破裂方式。另外,在一定的攻角范围内,前缘主涡的外侧又生成一对新的集中涡,构成双涡结构;随着攻角的增大,前缘涡涡核不断升高,主再附线向中心移动,二次分离区扩大。     

NS-DBD激励控制非细长三角翼前缘涡仿真研究

通过在三角翼前缘施加纳秒脉冲介质阻挡放电（NS-DBD）激励唯象学模型,进行了47°后掠角钝前缘三角翼流动控制的仿真。分析了不同迎角下升力和阻力系数的变化、流场结构的变化、以及激励诱导旋涡的演化过程。研究表明:施加无量纲激励频率F+=1.44的NS-DBD激励后,可明显提高三角翼失速前后的升力系数;同时阻力系数也有所增加,变化趋势与实验结果一致。激励在前缘分离剪切层处诱导产生流向涡,改变了前缘剪切层结构,使其向内卷吸;激励后时均流场形成了明显的负压峰值,前缘涡附着线外移,吸力面回流区减小。      

串列翼巡飞器不同气动布局及操纵面布置方案对比

为比较两种不同气动布局的串列翼巡飞器及不同操纵面布置方案的气动特性,利用计算流体力学软件进行了仿真计算,从升阻特性、流线图及湍流强度方面进行了分析,并比较了不同控制方式及不同操纵面偏转角度时的操纵特性。结果表明,前翼在上、后翼在下的气动布局具有较好的升阻特性;两种气动布局均具有纵向静稳定性和航向静稳定性,而仅前翼在上、后翼在下的气动布局具有横滚静稳定性;飞行器进行俯仰控制时,常规布局控制方式产生的操纵力矩较大,滚转控制时,鸭翼布局控制方式可产生较大的滚转控制力矩;后翼操纵面偏转对前翼表面压力系数的影响较小,可忽略,而前翼操纵面偏转对后翼表面压力系数的影响较大。     

亚声速三角翼俯仰振动涡结构及升力特性研究

本文介绍在暂冲式三声速风洞中实现了非常流动的多片光蒸汽屏显示技术和测力技术，并用这两项技术研究了亚声速时７０°后掠三角翼模型仰振的非定常流动现象，探讨了由于三角翼模型俯振动产生的涡结构人向气动力特性之间的相关关系。