翼型前缘变形对动态失速效应影响的数值计算

翼型或机翼的动态失速效应所引起的低头力矩和正气动阻尼限制了飞行器气动性能的提高,甚至可能诱导发生不稳定运动。应用于小尺寸机翼的前缘动态变形（DDLE）技术,通过实时改变前缘形状,能够改善翼型前缘区域的速度梯度,进而抑制动态失速效应。采用转捩剪切应力输运（SST）黏性模型结合分区混合动态网格技术,研究了这种前缘变形对机翼俯仰运动所引起的非定常流动的影响,得到通过小幅度前缘变形抑制和延迟动态失速的方法,从而提高翼型的气动性能。翼型NAC A0012的数值模拟结果与动态失速风洞试验结果比较表明：所使用的数值计算方法能够较为准确地模拟翼型在动态失速过程中升力系数与俯仰力矩系数的变化情况,可用于研究前缘变形对翼型俯仰运动所引起的非定常流动的影响。前缘动态变形翼型俯仰运动过程的非定常流场的数值模拟表明：在大迎角下不同幅度的前缘下垂运动能够抑制流动分离的发生,从而抑制动态失速,但在大迎角下小幅度高频率的前缘下垂变形能更高效地抑制动态失速;前缘变形幅度以及变形沿中弧线的分布对升力系数和俯仰力矩系数的影响并不明显。     

基于联合射流的翼型动态失速流动控制研究

动态失速控制对于提高翼型气动特性具有重要意义。采用联合射流方法对翼型俯仰动态失速控制进行数值模拟,完成两方面的研究:一是射流关闭时射流通道对动态失速特性的影响,二是射流开启时不同射流动量系数对动态失速控制的影响和分析。结果表明:射流关闭时,射流通道的存在对翼型上仰过程中附着流阶段的气动特性产生不利影响,使得升力系数明显下降,但是对翼型下俯过程中失速分离流阶段的气动特性影响不明显;射流开启后,动态失速特性得到极大改善,迟滞环面积显著减小,升力增加,阻力减小,且阻力和力矩的峰值显著减小,原基准翼型力矩曲线的负阻尼区域消失。     

翼型舵面偏转非定常流动数值模拟

针对NACA0012翼型舵面偏转问题,数值模拟了不同参数对翼型气动特性的影响。基于非结构动网格技术,采用ALE有限体积描述下的二维可压缩非定常N-S方程,计算通量采用Vanleer格式、时空二阶格式,利用Venkatakrishnan限制器抑制数值振荡。非定常计算结果表明,NACA0012翼型绕1/4弦点作周期性俯仰振动的升力系数和俯仰力矩系数结果与实验数据吻合良好,验证了数值方法的准确性;在翼型舵面表面有分离区产生,升力系数和俯仰力矩系数形成滞回环,在亚声速情况下,滞回环幅值较小,进入超声速阶段以后,幅值增大,随着翼型间缝隙宽度逐渐增加,翼型升力系数和俯仰力矩系数与无缝翼型相比逐渐降低。     

考虑进排气的飞翼静、动态气动特性数值模拟

采用计算流体力学（CFD）数值模拟技术,以二维模型为例,建立了基于小幅度非定常运动的动导数计算方法,构建了考虑喷流引射效应的进排气模型、考虑管道效应的通气模型以及常规的保形模型,分别对其静态以及动态气动特性进行了数值模拟计算,并辨识了其纵向俯仰力矩系数组合动导数。研究表明:非定常动导数辨识方法较为准确可靠,相比保形模型,进排气以及通气模型的静态失速攻角（AOAs）增大,升力系数、阻力系数及俯仰力矩系数也增大,但力矩系数斜率基本不变,说明静态稳定性差异不大。而相同攻角下,进排气影响下的俯仰力矩系数组合动导数绝对值最大,表明了进排气模型具有最大的动态阻尼,而通气模型次之,保形模型的动导数绝对值最小。      

变来流下翼型动态失速的协同射流控制数值模拟

针对直升机前飞时旋翼在变来流下出现动态失速的问题，发展了基于协同射流的翼型动态失速控制方法。选取NACA0012翼型为研究对象，基于转捩SST湍流模型求解非定常雷诺平均Navier-Stokes方程，开展不同参数下协同射流控制翼型动态失速的数值模拟。研究结果表明，协同射流能够有效抑制变来流条件下的翼型动态失速。在变来流下，射流流道对翼型原始气动特性产生不利影响，功率系数的增长速度快于射流动量系数的增加，协同射流存在具有较好控制效果的最佳工作区间。协同射流通过与主流掺混来加速涡系演化，以抑制动态失速，通过增强弦向气流的动能以克服逆压梯度，从而抑制流动分离和促进流动再附着。在马赫数0.283、减缩频率0.151、前进比0.25的条件下，协同射流使翼型升力提高、阻力下降、负俯仰力矩峰降低、流动再附着提前，翼型气动特性得到明显改善。     

基于后缘小翼的翼型动态失速主动控制试验

针对旋翼动态失速导致的非定常载荷增加和失速颤振问题,开展了基于后缘小翼的翼型动态失速主动控制试验,试验雷诺数Re=7.0×10⁵,减缩频率k=0.097。采用动态压力测试手段,重点分析了后缘小翼不同振荡相位差、幅值、平衡迎角对翼型动态失速的影响规律。结果表明,后缘小翼能以振荡周期T的1/2为时间间隔,周期交替地改变翼型的气动性能,在后缘小翼与翼型振荡相位差为0°的条件下,实现了俯仰力矩峰值降低54.9%的控制效果,同时更大的后缘小翼振荡幅值能实现更好的非定常载荷控制效果,但过大的振荡幅值有可能导致失速颤振。后缘小翼振荡平衡迎角的引入能起到调节升力系数、气动阻尼的作用。     

带连续变弯度后缘操纵面机翼的动态失速减缓

主动偏转后缘操纵面可以减小翼型动态失速对气动特性产生的不利影响。研究连续变弯度后缘操纵面在减缓翼型动态失速方面的性能,利用CFD 结合动网格方法,计算NACA 0012 翼型在大幅度俯仰振荡时的非定常气动力;从减缓效果和能量需求两个方面,对比传统刚性操纵面和两种连续变弯度操纵面的动态失速减缓性能。结果表明：当后缘操纵面按正弦脉冲规律偏转时,可以推迟前缘涡的产生,加速后缘涡的发展,降低压力分布在后缘的峰值,进而减小动态失速时翼型的低头力矩极值;后缘操纵面的弯度构型会影响减缓效果,在相同的偏转策略下,弯度描述函数为2 阶多项式的连续变弯度操纵面的减缓效果最好,且能量需求最小。     

应用时间精确自由尾迹方法的桨叶总距突增响应特性分析

直升机旋翼的气动特性对总距操纵输入的动态响应具有复杂的非定常特性。文中结合尾迹模型、PC2B算法、桨叶气动模型、挥舞动力学模型、非定常翼型模型和旋翼平衡模型,建立了一个时间精确旋翼自由尾迹和气动特性分析方法。利用该方法,首先,计算了前飞时旋翼入流分布,以及悬停状态桨叶总距增加时拉力系数的变化,通过计算值与实验值的对比,验证了方法的有效性;然后,利用该方法对模型旋翼在悬停和前飞状态桨叶总距阶跃突增时的拉力系数、俯仰力矩系数、滚转力矩系数和挥舞锥度角变化的时间历程进行了计算分析,得出了一些新的结论。     

翼型动失速问题研究

本文对俯仰振荡和快速上仰翼型的非定常动失速问题进行了计算研究。对绕流流场采用了高效率的分区精确数值模拟的研究方法,保证了计算结果的精度,大大节省了对非定常粘性流动至关重要的计算机时。文中单独划出前缘驻点区,对形成前缘动失速旋涡的前缘附近区域的流场进行精确计算。算例显示了动失速流场的形成、变化过程及其对气动特性的影响,计算结果和实验的比较是满意的。     

仿生正弦前缘对翼面动态失速的影响

动态失速导致叶片气动载荷急剧变化，造成振动载荷激增，桨叶寿命大幅衰减。针对动态失速问题，从座头鲸胸鳍在动态倾转下取得良好的流动特性获得启示，据此模化出仿生正弦前缘翼面（包含3种波峰和2种波长），旨在实现动态失速控制。借助三维非定常数值模拟方法，采用运动网格技术，基于SC1095旋翼翼型，研究了仿生前缘动态失速流动控制机理及运动参数和来流速度的影响。结果表明：正弦前缘大幅度降低俯仰力矩系数峰值和阻力系数峰值；前缘波峰越大、波长越小，阻力系数峰值与俯仰力矩系数峰值的抑制效果越明显，虽然升力系数峰值减小，但其减小量远小于前两者，例如其中一种仿生翼使俯仰力矩系数峰值减小了47.7%，阻力系数峰值减小了36.4%，升力系数峰值减小14.1%；在最大迎角附近，正弦前缘能够缓和失速特性，使载荷变化更为平缓；在高平均迎角、低俯仰频率、低马赫数下，仿生翼动态失速控制效果更强，相比较而言迎角振幅的影响较小。     

用N－S方程计算翼型非定常粘性大攻角绕流

本文给出了用ＮＳ方程对翼型非定常粘性大攻角绕流的数值模拟。控制方程为二级时均可压缩完全ＮＳ方程；湍流模型采用双层代数涡粘性模型￣［１］。使用近似因式分解ＡＤＩ差分格式离散求解，网格是用保角变换方法生成的相对翼型固定的Ｃ型网格。本文给出两类典型非定常绕流数值模拟结果：翼型过失速常攻角周期流动和大攻角强迫俯仰谐振非定常绕流。并与国外的实验和计算结果进行了比较，表明了本方法准确、高效的特点。     

Dynamic stall suppression on an oscillating airfoil by steady and unsteady tangential blowing

The use of steady and unsteady tangential blowing to suppress the dynamic stall on an oscillating airfoil was studied by numerically solving the Reynolds averaged Navier-Stokes equations. Pitching oscillations with amplitude of 10° about a mean angle of attack of 15° and with reduced frequencies of 0.15 and 0.25 were examined. The blowing location is near the airfoil leading edge, and for unsteady blowing, the jet strength was varied periodically at the same frequency as that of airfoil oscillation with some phase difference. In case of steady blowing, with a C_μ of 0.07, the large pitching moment, massive drop in C_L and increase in C_D due to dynamic stall were eliminated. The unsteady blowing was found more effective than the steady blowing.     

基于后缘小翼的旋翼翼型动态失速控制分析

针对后缘小翼(TEF)的典型运动参数对旋翼翼型动态失速特性的控制进行了研究。发展了一套适用于带有后缘小翼控制的旋翼翼型非定常流动特性模拟的高效、高精度CFD方法。通过求解Poisson方程生成围绕旋翼翼型的黏性贴体和正交网格,为保证后缘小翼附近的网格生成质量,建立了基于翼型点重构的方法来描述后缘小翼的偏转运动;为克服变形网格方法可能导致网格畸变的不足,发展了一套适用于带有后缘小翼控制的旋翼翼型运动嵌套网格方法。基于非定常雷诺平均Navier-Stokes(URANS)方程、双时间法、Spalart-Allmaras(S-A)湍流模型和Roe-Monotone Upwind-centered Scheme for Conservation Laws(Roe-MUSCL)插值格式,发展了旋翼翼型非定常气动特性分析的高精度数值方法,并采用Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel(LU-SGS)隐式时间推进方法及并行技术提高计算效率。以有试验结果验证的HH-02翼型和SC1095翼型为算例,精确捕捉了动态失速状态下的气动力迟滞效应,验证了本文方法的有效性。着重针对SC1095旋翼翼型的动态失速状态开展后缘小翼的控制分析,提出了可以体现翼型升力、阻力及力矩综合特性的关系式Po和Pc,揭示了后缘小翼振荡频率、相位差和偏转幅值对动态失速特性影响的规律。研究结果表明:当后缘小翼偏转的相对运动频率为1.0,且小翼运动规律与翼型振荡规律之间的相位差为0°时,后缘小翼能够更好地抑制翼型动态失速现象;在此状态下,当偏转幅值为10°时,SC1095翼型最大阻力系数和最大力矩系数可以分别降低19%和27%。     

基于CFD/CSD紧耦合的旋翼翼型气弹分析

采用CFD/CSD（计算流体力学/计算结构力学）紧耦合的方法,以Fluent软件作为主控平台,通过UDF（用户自定义函数）及I/O（输入/输出）文件读写的方式实现结构响应和气动载荷的数据交换,耦合求解了旋翼桨叶剖面的气动力和振动响应.在此基础上研究旋翼桨叶剖面在变距、沉降（挥舞）和周期交变来流条件下的气动特性和振动响应特性.结果表明:桨叶剖面在轻失速情况下,气动载荷周期性比较好,表现出光滑的迟滞环曲线,结构沉降响应也表现出光滑的周期性现象,扭转响应出现局部轻微振荡.深失速情况下,气动载荷及结构响应都表现出强烈的非线性振荡,高频成分较为明显.      

Dynamic stall on a supercritical airfoil

For the present investigations of dynamic stall a supercritical airfoil was chosen. This new airfoil designed by DLR will be used in dynamic stall control research activities (project ADASYS) planned for the near future: the leading edge portion of the airfoil will be drooped down dynamically to improve dynamic stall characteristics on the retreating side during blade motion. The optimised transonic properties of the airfoil, i.e., reduction of shock strength over a Mach number range will improve in addition the performance of the advancing rotor blade. Dynamic stall experiments on the rigid supercritical airfoil have first been carried out in the DNW-TWG transonic wind tunnel with a 1 m × 1 m cross section of the test section and adaptive top and bottom – walls. This tunnel has the advantage to cover the speed range of both retreating and advancing blade. Emphasis has been placed on unsteady pressure measurements along the adaptive walls simultaneously with the unsteady pressure measurements on the pitching model. In addition to the experiments corresponding numerical simulations with a RANS-code have been carried out and their results are compared with the experimental data. Of main concern are the influence of laminar-turbulent boundary-layer transition as well as wind-tunnel-wall interference effects on the unsteady results.     

一种平尾涡流发生器设计和流动控制研究

平尾的气动特性直接影响飞机的飞行安全,基于改善飞机平尾在负攻角下流动特性的应用需求,设计一种涡流发生器,安装在平尾下表面。通过数值模拟方法研究平尾在不安装涡流发生器和安装涡流发生器两种构型下的流动特征和机理,分析飞机在负攻角下的俯仰力矩特性。结果表明：安装涡流发生器的平尾负失速迎角推迟了4°,负攻角下的俯仰力矩拐点推迟了4°左右,拓宽了飞机的飞行边界。