主动流动控制技术研究

主动流动控制技术是提升未来飞行器性能的重要途径之一。本文在研究主动流动控制技术发展的基础上,归纳分析了目前主动流动控制采用的主要技术方法;简述了其流动控制原理和应用研究案例;介绍了主动流动控制技术研究采用的主要测试技术。     

有限翼展机翼失速特性控制研究

针对有限翼展机翼大迎角下的流动分离情况,研究了一种新型流动控制技术———流动偏转器。通过风洞实验和数值计算相结合的方法,既验证了计算的准确性,又阐述了流动偏转器可改善机翼大迎角失速特性的作用。通过对流动方向变化规律和翼面边界层的深入研究,探寻了流动偏转器的控制原理:使来流向机翼吸力面偏转;削弱机翼前缘附近流动的三维效应使流动趋近二元化;使边界层内速度型变得饱满,减小速度型形状因子H12,增大速度型的稳定性,抑制流动分离。     

流动显示技术的若干现状与发展

本文概述了流动显示技术的发展状况，介绍了几种新的流动显示方法；阐述了流动显示技术的发展趋势。     

真空导入模塑工艺树脂流动行为研究进展

综述了近年来真空导入模塑工艺树脂流动行为的研究进展,结合自己的研究成果系统地评述了真空导入模塑工艺中树脂的流动模型及机理、流动行为的数值模拟和流动行为的监测控制,并在此基础上对真空导入模塑工艺树脂流动行为的研究前景进行了展望。     

基于数值模拟的大流量减压器内部流场的特性研究

针对大流量气体减压器,建立了减压器工作过程的二维数学模型,基于成熟软件平台FLU—ENT进行数值仿真,研究了减压器内部稳态流场,发现减压器内存在两种典型的流动状态——超临界流动和亚临界流动,分析了不同流动状态下的流场特征,揭示了减压器内气体流动的内在规律。     

考虑叶轮流动滑移的离心泵盘腔流动模型

为研究离心泵盘腔内外特性，将离心泵盘腔三维流动简化为动静腔一维流动，基于动量守恒方程和径向连续方程，构建了动静腔流动微分方程；积分该方程并应用到盘腔中，引入密封件阻力系数，考虑叶轮流动滑移，修正泵势扬程公式，建立了离心泵叶轮-盘腔-密封环-平衡孔回路的自封闭流动模型。提出了内外迭代相结合的求解方法，实现了离心泵盘腔流动快速计算。通过与盘腔压力测量结果对比表明：使用Stodola叶轮流动滑移系数的盘腔流动模型比使用Wiesner叶轮流动滑移系数的盘腔流动模型的计算精度提高了约3.5%。盘腔流动模型结果表明：泵工况从小流量调节至大流量，容积效率逐渐提高，盖板推力略微逐渐增大。该方法及结论为离心泵盘腔内外特性计算提供参考。     

MEMS中气体运动的若干微尺度效应

宏观流动到微流动不单是"量"的变化,而且有"质"的不同[1].在微流动中,由于微尺度效应,主导流动的作用力发生变化,惯性力不再占主导地位;在宏观尺度流动中可以忽略的表面效应和壁面滑移等现象,开始凸现出来,这就导致了微流动中出现了与宏观流动不同的现象和规律.本文研究微流动问题中的若干微尺度效应:包括微喷管中气体流动的特性、微槽道中的稀薄气体效应和分子泵内的流动问题.这些研究对于设计和开发新的微机械机电设备是非常重要的.     

新型等离子体主动流动控制器及其诱导流场研究

利用空气中阻挡介质沿面放电等离子体诱导定向气流的特性,创造性地设计多种可用于流动控制的等离子体主动流动控制器;有目的地布置电极,主动组织等离子体诱导的定向气流,形成所需的气体流动结构;对其进行流动显示试验,并采用PIV技术对各新型等离子体流动控制器所形成的流场进行测量。研究结果表明,合理地设计等离子体流动控制器,可以得到所需的流动结构,用于流动控制。本文的研究成果为主动流动控制提供了一类新型的无源流动控制器。     

弹舱流动特性数值模拟及风洞试验研究

针对弹舱流动自身的复杂性以及对内埋武器安全分离的影响,本文利用数值模拟和风洞试验相结合的手段分析了三类弹舱流动特性,着重研究了几种典型弹舱的几何参数(L/D、W/D、δc、δh)以及来流马赫数(M)与弹舱流动特性间的耦合影响关系,获得了跨超声速来流条件下弹舱流动特性和压力分布.研究结果表明,弹舱长深比(L/D)是影响弹舱流动类型和流动特性的关键因素,W/D、δc、δh和M对弹舱流动类型和流动特性也有一定的影响;三类弹舱流动类型中开式流动弹舱内压力分布较均匀.     

引射/强迫式波瓣混合器开设通气狭缝的流动分离控制

为了抑制大扩张角波瓣混合器主流侧瓣顶内存在的流动分离现象,在基准波瓣混合器上开设了通气狭缝,通过数值模拟的方法研究了上述处理对次流分别为受迫流动和引射流动两种情况下的波瓣混合器抑制主流流动分离的效果.研究结果表明:①波瓣扩张角小于35°时,波瓣混合器内没有任何的流动分离的现象发生,当波瓣扩张角增大到35°时,波瓣内开始出现流动分离,继续增大波瓣扩张角,则波瓣混合器内流动分离加大;②对于次流为受迫流动的大波瓣扩张角波瓣混合器而言,开设了通气狭缝后,流动分离得到了有效的抑制;③对于次流为引射流动的波瓣混合器而言,对存在流动分离的大波瓣扩张角波瓣混合器开设了通气狭缝后,流动分离并未得到了有效的抑制,通气狭缝的存在提前诱发主流侧流体的分离.      

用单调相关格式计算跨音速定常和非定常翼型绕流

在跨音速非定常势流计算方面,人们一直在努力寻求处理包括激波运动的非线性问题的能力和计算效率的提高。Ballhaus和Goorjian（1977年）用交替方向隐式差分法（ADI）成功地直接求解了时间域的非定常跨音速小扰动方程（此法称为“LTRAN2”）。文献[5]引用坐标变换也做了类似LTRAN2的工作。     

Interaction of wake vortices with the ground

The aim of this study is to describe wake vortices near the ground, including rebound. A calculation code solving the incompressible Navier–Stokes equations has been developed; it allows us to compute unsteady two-dimensional flows and steady three-dimensional flows having a preferential direction. The two-dimensional version of the code allows the capture of the rebound of the vortices near the wall as well as the creation of secondary vortices. In the three-dimensional case, the results are compared with experiments. The importance of the axial velocity is also analyzed.     

一种基于动模态分解的翼型流动转捩预测新方法

考虑自由转捩的定常/非定常流动Navier-Stokes方程数值求解,对于翼型流动细节的精确模拟和气动力的精确预测均具有十分重要的意义。采用动模态分解(DMD)方法进行流动稳定性分析,再结合e N方法,提出了一套适用于翼型绕流的转捩预测新方法,称为DMD/e N方法。相比于传统的线性稳定性分析方法,DMD方法不需要求解附面层方程和线性稳定性方程,也没有引入平行流假设,具有更好的理论适用性和算法鲁棒性。开展了NLF0416、S809和SD7003等翼型的转捩预测数值验证研究,通过与实验结果以及与传统的基于线性稳定性分析的e N方法的比较,验证了本文所发展的转捩预测新方法在预测翼型的定常流动和非定常流动转捩方面的正确性,也表明了该方法具有解决含层流分离泡的翼型绕流转捩预测的能力。     

预处理法求解定常/非定常混合网格的全速流场

运用时间导数预处理法在混合网格上求解三维定常/非定常N-S方程。预处理后的N-S方程,用二阶迎风格式的有限体积法离散,隐式、LU-SGS迭代求解,双时间步推进求解非定常流。本文以一维预处理欧拉方程为基础进行分析,提出了一种特征变量的边界条件以适应预处理后的特征系统。从极低速到跨声速范围的众多算例表明,本文的边界条件处理稳定有效,预处理法在各种速度下都具备同样快速的收敛性,在较宽的使用范围内均能得到理想的计算结果。     

基于RANS/LES混合方法的分离流动模拟

飞行器在大迎角、快速俯仰机动时,流场中含有大尺度、非定常的涡结构,传统雷诺平均Navier-Stokes （RANS）模型不能准确模拟流场结构,根据国际上相关研究的发展趋势,需要采用混合RANS/大涡模拟（LES）模型来对复杂分离流动进行准确模拟。本文对基于分区混合与湍流尺度混合的双重RANS/LES混合计算模型进行发展与应用。通过典型简化模型的静、动态湍流大分离流动,测试和验证所采用的脱体涡模拟（DES）类方法,重点研究改进的延迟DES （IDDES）模型在动态问题应用中的正确性和有效性,并对所采用的数值模拟方法和相应的计算软件的可靠性、鲁棒性以及精度进行了考核验证。典型算例包括超声速圆柱底部流动、跨声速方腔流动、NACA0015机翼深失速分离涡模拟等。计算表明：发展的IDDES类混合计算模型可有效解决对数层不匹配的问题;对于定态非定常分离流动,DES、DDES、IDDES等模型计算结果差别不大,随着流动的非定常特性增强,IDDES模型的优势逐渐显现;对于动态非定常分离流动,则需要采用IDDES类模型。     

定常三维分离准则探讨

本文从奇点理论拓扑规律出发,说明在垂直于分离线及物面的截面上的截面流线有半鞍点存在,进而说明Lighthill等人认为的极限流线要在分离线以前抬起来是不合适的。合理的说法应该是极限流线总是同剪切应力线一致。只有在进入奇点以后,极限流线才抬起来离开物面。本文最后表明,单纯把二维分离准则用到三维分离的情况是不够的,并给出三维分离准则的表达式。     

Self-sustained shock oscillations on airfoils at transonic speeds

Self-sustained shock wave oscillations on airfoils at transonic flow conditions are associated with the phenomenon of buffeting. The physical mechanisms of the periodic shock motion are not yet fully understood even though experiments performed over fifty years ago have demonstrated the presence of oscillatory shock waves on the airfoil surfaces at high subsonic speeds. The unsteady pressure fluctuations generated by the low-frequency large-amplitude shock motions are highly undesirable from the structural integrity and aircraft maneuverability point of view. For modern supercritical wing design with thick profiles, the shock-induced fluctuations are particularly severe and methods to reduce the shock wave amplitudes to lower values or even to delay the oscillations to higher Mach numbers or incidence angles will result in expanding the buffet boundary of the airfoil. This review begins with a recapitulation of the classical work on shock-induced bubble separation and trailing edge separation of a turbulent boundary layer. The characteristics of the unsteady pressure fluctuations are used to classify the types of shock-boundary layer interaction. The various modes of shock wave motion for different flow conditions and airfoil configurations are described. The buffet boundaries obtained using the standard trailing edge pressure divergence technique and an alternative approach of measuring the divergence of normal fluctuating forces are compared to show the equivalence. The mechanisms of self-sustained shock oscillations are discussed for symmetrical circular-arc airfoils at zero incidence and for supercritical airfoils at high incidence angles with fully separated flows. The properties of disturbances in the wake are examined from linear stability analysis of two-dimensional compressible flows. The advances in high-speed computing make predictions of buffeting flows possible. Navier–Stokes solvers and approximate boundary layer-inviscid flow interaction methods are shown to give good correlation of frequencies and other unsteady flow characteristics with experiments. Finally, passive and active methods of shock oscillation control show promising results in delaying buffet onset to higher Mach numbers or incidence angles, thus enhancing the transonic performance of airfoils.     

突然起动圆柱的非定常绕流计算

本文用分区方法定量模拟高Re数情况下突然起动圆柱的初期对称流动。绕圆柱的二维不可压流场可分为无粘区、附着粘性区和分离区。无粘区有解析解，用非定常层流边界层方程解附着粘性区，用离散涡方法处理随时间变化的分离区。试用了混合的Rankine和Lamb涡模型及二次离散涡。给出了Re=300、9500两个算例，基本符合有关实验结果。     

嵌边法出流条件在可压缩流直接数值模拟中的应用

以嵌边法为出口边界条件试算了亚、超声速平板边界层扰动波的演化、超声速流中涡的传播、亚声速平板边界层尾缘扰动的演化等,以验证嵌边法作为出流条件在可压缩流中的有效性。然后,探讨了嵌边法有关参数的选取问题。     

多段翼型大迎角分离流动的DELAYED RANS/LES混合算法

多段翼型的大迎角绕流发生大范围附面层分离,具有明显的三维与非定常流动特性。RANS/LES混合算法继承了LES对流动分离区大尺度漩涡准确模拟的优点,避免了纯LES算法需求网格量巨大与亚格子模型壁面函数不成熟等问题,对分离流动的模拟效果优于RANS算法。以S-A湍流模型与Smagorinsky亚格子模型为基础,借鉴DDES的附面层延迟控制思想,构造了可用于对接网格、重叠网格的DELAYED RANS/LES混合算法。研究了GA（W）-1多段翼型的大迎角分离流动及其气动特性。