高超声速边界层转捩对旋转钝锥自由飞运动的影响

通过在钝锥模型表面上布置人工绊线促使边界层强迫转捩,采用运动自由度不受约束的风洞模型自由飞试验技术研究边界层转捩对高超声速旋转钝锥自由飞行运动特性和气动特性的影响规律,并与自然转捩的旋转钝锥风洞模型自由飞试验结果作对比分析,试验马赫数为5.0,以模型长为特征尺寸的自由流雷诺数为1.68×106。研究结果表明:有人工绊线的旋转钝锥在自由飞行过程中有"激励稳定"的绕流流场,产生动态稳定的自由飞运动(动稳定导数系数小于0),而无转捩绊线的旋转钝锥在自由飞行中则有"激励不稳定"的绕流流场,产生动态不稳定的自由飞运动(动稳定导数系数大于0)。     

有翼飞行器高超声速动导数的风洞自由飞测量

对具有典型意义的有翼航天飞行器模型在力学所JF－8A脉冲型高超声速风洞中M＝6．26，M＝7．91和M＝9．29条件下进行了模型自由飞实验。由记录的运动经最大似然法作参数辨识后得到它们的俯仰阻尼导数。实验结果显示，在实验范围内模型具有动态稳定性，同一名义实验条件下的重复性实验呈一致的运动规律并具有接近的动导数测量结果。实验范围内马赫数的变化（从6．26到7．91）以及模型质心位置的轴向移动）从0．50到0．60）没有导致俯仰阻尼系数的明显变化，其量值在－1．5附近。而马赫数9．29时阻尼值变小，其主要原因可能是由雷诺数的变化所引起。此外，考虑恢复力矩的非线性影响后，辨识结果有所改善。     

旋转钝锥高超声速自由飞气动导数非对称性

分别从采用轴对称假设和考虑非对称性的角运动方程出发,通过对高超声速下(M=6)10°半锥角旋转钝锥双平面拍摄风洞自由飞试验结果进行气动参数辨识,对旋转钝锥高超声速自由飞行状态下气动导数的非对称性问题进行了分析。通过对比辨识曲线与观测值的重合性,证明轴对称旋转飞行器存在气动导数非对称的问题,其动导数和Magnus力矩导数均存在较明显的非对称性,动导数的非对称性尤其严重,而静导数的对称性则较好。进一步分析发现气动导数的非对称性对旋转飞行器的瞬态角运动、及总迎角的峰、谷值及相位均存在明显影响,采用轴对称假设而获得的瞬态角运动将存在一定误差。旋转飞行器气动导数非对称性的影响不可忽略。     

非旋转钝锥高超声速自由飞非线性角运动轨迹重构与分析

采用多阶段曲线拟合技术,对双平面拍摄风洞自由飞试验获得的高超声速下非旋转钝锥角运动观测值作了拟合,获得了与试验观测值重合度较好的拟合曲线,进而实现了对试验模型非线性角运动轨迹的重构,获得了5次试验的复攻角和总攻角曲线,并进而对非旋转钝锥非线性角运动的特点和规律进行了分析。结果分析表明：模型复攻角曲线可能逆时针方向转动也可能顺时针方向转动,甚至可能改变转动方向;复攻角曲线多呈“椭”圆锥运动,且椭圆运动的长轴在大小和方向上均可能发生变化;总攻角幅值呈振荡变化,但多呈总体上减小的趋势;由于角运动的非线性特性,同样的试验模型在不同的预置攻角情况下其角运动特性也呈现出很大的不同。     

小迎角高超声速非旋转钝锥非线性运动分析

采用分段拟合技术对小迎角高超声速(马赫数Ma=6)非旋转钝锥双平面拍摄风洞自由飞试验结果进行了分析,获得了非旋转钝锥在小迎角高超声速下气动导数非线性的具体形式,分析了非旋转钝锥在小迎角下的非线性运动特点。研究发现在小迎角范围内钝锥的动导数系数均呈现明显的非线性,而静导数系数非线性较弱,可近似为线性。各组试验的静、动导数系数的非线性形式表明,除模型Ⅱ外的其余模型均为两方向振幅不同的极限圆锥运动,模型Ⅱ为极限平面运动。每组试验两个平面的静导数系数在小迎角范围内保持基本相等。而无论出现极限圆锥运动的四组试验还是出现极限平面运动的一组试验,模型在俯仰和偏航两个方向的动导数系数均存在较大差异。     

风洞自由飞实验测量M=5，10^o半锥角尖锥、钝锥气动动稳定特性

超声速、高超声速小攻角状态下简单尖锥体、小钝锥体外形的飞行器能否产生锥动失稳是一个可以讨论的命题。但是简单尖锥体、小钝锥体我们的风洞自由飞实验结果（M=5）：会产生锥动失稳，甚至实验次数中出现锥动失稳的比例达100％。借助近十年来对多个飞行器锥动失稳的研究（这些飞行器外形变化、流场参数变化、对锥动失稳的影响，模型风洞自由飞实验结果与飞行器空中飞行结果取得一致）观察到一个现象：改变飞行器尾部流动状态，有利于控制锥动失稳。简单10^o半锥角尖锥体、小钝锥体模型在锥体后部表面加上小片条后，锥动失稳（M=5）得到控制。     

小攻角高超声速钝锥边界层失稳特性

利用高阶紧致格式,采用直接数值模拟(DNS)和线性稳定性(LST)分析方法,对高超声速边界层的失稳机制和转捩特点进行了研究.通过对马赫数为6的2?攻角高超声速钝锥边界层的稳定性分析发现:小攻角高超声速钝锥边界层存在多枝不稳定模态;周向速度使钝锥的稳定性特征与不考虑周向速度时有本质的差别;转捩线在接近背风面处出现拐折现象是由失稳模态发生转换引起的.      

风洞自由飞实验测量M=5,10°半锥角尖锥、钝锥气动动稳定特性

超声速、高超声速小攻角状态下简单尖锥体、小钝锥体外形的飞行器能否产生锥动失稳是一个可以讨论的命题.但是简单尖锥体、小钝锥体我们的风洞自由飞实验结果(M=5)会产生锥动失稳,甚至实验次数中出现锥动失稳的比例达100%.借助近十年来对多个飞行器锥动失稳的研究(这些飞行器外形变化、流场参数变化、对锥动失稳的影响,模型风洞自由飞实验结果与飞行器空中飞行结果取得一致)观察到一个现象改变飞行器尾部流动状态,有利于控制锥动失稳.简单10°半锥角尖锥体、小钝锥体模型在锥体后部表面加上小片条后,锥动失稳(M=5)得到控制.     

获取自由飞模型气动导数的综合飞行试验研究

过去已进行过多个机种的自由飞模型大迎角特性试验，但均为单一项目的试验，现介绍了将获取放宽静稳定度特性和气动导数两个项目综合于一个自由飞模型飞行试验项目中的情况，用脉冲升降舵激发起模型的纵向短周期运动，用参数辩识方法获取气动导数，试验结果表明这种方法是可行的，为从事本专业及相关专业的科研人员提供了参考。     

马赫数为6的高超声速钝锥湍流边界层空间演化的直接数值模拟

首先求解了来流马赫数为6的零攻角高超声速钝锥边界层的层流基本流场,在选定的计算域入口引入一组有限幅值的T-S波扰动,用高精度差分格式对流动进行了直接数值模拟.引入的扰动触发了转捩,从而得到了空间模式下的湍流边界层.研究了湍流平均场与脉动场的统计特性,给出了相干结构的流动显示图,并对强雷诺比拟的结论进行了检验.     

熵层对高超声速二维钝楔气动参数的影响

采用薄激波层理论和流管质量守恒相结合的方法,分析了高超声速二维钝楔边界层外缘熵的分布规律,研究了熵层对边界层外缘密度、马赫数以及壁面气动加热等气动参数的影响.结果表明:边界层外缘熵在倒圆-肩部区下降最为剧烈,熵层对气动参数的影响在高超声速下不可忽略,特别是使转捩区和湍流区的气动加热增加约53.6%.因此,将表面流态控制在层流模式对高超声速飞行器热防护具有重要意义.      

基于离散伴随的高超声速密切锥乘波体气动优化设计

基于定平面形状的密切锥乘波体设计方法能够显著提高传统乘波体的设计灵活性和整体升阻特性。但是该类乘波体在设计时忽略了三维效应、黏性效应以及头部/前缘的钝化效应,在设计工况下仍会出现溢流,升阻比难以达到最优;另外,这类乘波体仍具有传统乘波体在偏离设计条件下气动特性会出现恶化的不足。因此,有必要在考虑黏性的情况下,针对定平面形状的密切锥乘波体开展全机气动优化设计。结合基于全速域通量求解方法和RANS湍流模型的高精度CFD求解器、鲁棒的结构网格变形方法、自由变形参数化方法、离散伴随方法以及序列二次规划算法,实现了基于离散伴随的高超声速飞行器气动优化设计方法。基于上述方法,针对定平面形状的密切锥乘波体开展了单点和多点的三维整机气动优化设计。在400万多块结构网格、600个设计变量以及303个设计约束条件下,所采用的离散伴随优化方法仅花费2 240CPU小时和3 360CPU小时即完成了三维整机单点和多点的优化设计。结果表明,相较于初始构型,单点优化得到的构型在设计状态下的升阻比提升了近5%;多点优化得到的构型可保证在设计点状态升阻特性没有损失的同时,将非设计点的升阻比提升10%以上,进而在一定程...     

带减阻杆高超声速飞行器外形气动特性研究

采用高超声速风洞测力试验方法测量钝头飞行器头部减阻杆的高超声速气动特性,研究减阻杆的气动减阻原理,分析了多组不同构型减阻杆的减阻效果。结果表明,减阻杆显著减少了钝头飞行器高超声速的阻力,最大的减阻率达到60％之多;减阻效果与减阻杆构型和迎角状态密切相关;减阻杆会诱发稳定性、“热斑”以及非定常脉动等不利问题。     

两种有翼飞行器高超声速动态气动特性的对比实验研究

采用模型自由飞技术在脉冲型高超声速风洞中测量了两种类航天飞机外形模型的腐爷阻尼导数，两种模型具有十分接近的外形特征尺寸和投影面积，但机身和机翼的剖面则片此各不相同，实验在名义马赫数M∞＝6.4条件下进行，同一名义实验条件下的重复实验显示一致的运动形态和接近的动导数测量结果。气动参数辨识采用最大似然法，对风沿实验准定常试验时间中模型的平面运动以线性气动参数模型辨识得到它们的俯3仰阻尼导数。结果提产两种外形有差异的模型呈现迥然不同的动态气动特性：带OMS舱的航天飞机仿真模型具有动态稳定性，而简化外形的类航天飞机模型则为动不稳定，虽然对导致这种极大差异的直接物理原因还有待深入研究，但实验揭示了动稳定性对模型外形细节的敏感性。     

高超声速飞行器气动热预测技术研究进展

气动热预测技术是制约高超声速飞行器发展的关键技术之一.飞行器在高速飞行过程中,气动加热对其结构强度影响显著,严重时甚至可能导致结构损伤,因此,为保障飞行器飞行安全,必须采取有效的热防护措施,而掌握气动热变化规律是合理设计高超声速飞行器热防护措施的基础,它对于飞行器结构设计、材料选择均有重要的指导意义.本文从试验、工程计...     

网格对高超声速钝头体表面热流数值模拟结果的影响

高超声速钝头体热流的精确预估,对高超声速飞行器热防护的设计具有重要意义,而网格划分尺度对预估飞行器表面热流精度具有重要的影响。应用理论分析及数值模拟方法,提出了一种基于壁面网格雷诺数及基于钝体特征长度的来流雷诺数网格划分方法,并给出了壁面网格雷诺数的取值范围。应用所提出的网格划分方法,对不同来流条件的高超声速半圆柱及球头表面热流进行了数值模拟,结果表明,应用所提出的网格划分方法,及给出的可供参考的壁面网格雷诺数的取值范围划分网格,在满足高超声速钝体表面热流精度要求的同时,有利于网格合理分布并提高数值计算效率。     

风洞非均匀流场中的一体化高超声速飞行器缩比模型气动性能研究

准确预测气动推进性能是吸气式高超声速飞行器研究的重要挑战之一。针对CARDC吸气式高超声速实验室（AHL）自主设计的一体化高超声速飞行器风洞试验模型,通过数值模拟计算,研究了CARDC600mm脉冲燃烧风洞的流场,并与试验结果做了对比,确定了试验模型在风洞中的合理安装位置,分析了带舵面飞行器在进气道打开、发动机不工作情况下的气动性能,对比研究了试验模型部分处于风洞流场非均匀区时,风洞结果对模型气动性能产生的影响,对比了数值计算结果和风洞试验结果。结果为利用风洞试验结果准确分析飞行器气动性能提供了重要依据。     

10°尖锥标模高超声速动导数的实验测量

在中科院力学所JP－4B高超声速脉冲风洞中，用模型自由飞方法对1°尖锥开展动态实验测量，并用参数微分法辨识得到了该模型的俯仰阻尼导数。文中还介绍了在模型优化设计，模型工艺以及实验测量记录和数据判读技术方面的一些进展。实验结果表明；脉冲风洞中模型自由飞方法得到的10°尖锥标模高超声速动态气动特性测量值与国外可比数据一致，重复测量精度与弹道把试验相当。