Unsteady flow phenomena associated with leading-edge vortices

This paper presents selected results from extensive experimental investigations on turbulent flow fields and unsteady surface pressures caused by leading-edge vortices, in particular, for vortex breakdown flow. Such turbulent flows may cause severe dynamic aeroelastic problems like wing and/or fin buffeting on fighter-type aircraft. The wind tunnel models used include a generic delta wing as well as a detailed aircraft configuration of canard-delta wing type. The turbulent flow structures are analyzed by root-mean-square and spectral distributions of velocity and pressure fluctuations. Downstream of bursting local maxima of velocity fluctuations occur in a limited radial range around the vortex center. The corresponding spectra exhibit significant peaks indicating that turbulent kinetic energy is channeled into a narrow band. These quasi-periodic velocity oscillations arise from a helical mode instability of the breakdown flow. Due to vortex bursting there is a characteristic increase in surface pressure fluctuations with increasing angle of attack, especially when the burst location moves closer to the apex. The pressure fluctuations also show dominant frequencies corresponding to those of the velocity fluctuations. Using the measured flow field data, scaling parameters are derived for design purposes. It is shown that a frequency parameter based on the local semi-span and the sinus of angle of attack can be used to estimate the frequencies of dynamic loads evoked by vortex bursting.     

Review of flow control mechanisms of leading-edge vortices

Vortex control concepts employed for slender and nonslender delta wings were reviewed. Important aspects of flow control include flow separation, vortex formation, flow reattachment, vortex breakdown, and vortex instabilities. The occurrence and relative importance of these phenomena strongly depend on the wing sweep angle. Various flow control methods were discussed: multiple vortices, control surfaces, blowing and suction, low-frequency and high-frequency excitation, feedback control, passive control with wing flexibility, and plasma actuators. For slender delta wings, control of vortex breakdown is achieved by modifications to swirl level and external pressure gradient acting on the vortex core. Effects of flow control methods on these two parameters were discussed, and their effectiveness was compared whenever possible. With the high-frequency excitation of the separated shear layer, reattachment and lift enhancement in the post-stall region is observed, which is orders of magnitude more effective than steady blowing. This effect is more pronounced for nonslender wings. Re-formation of vortices is possible with sufficient amplitude of forcing at the optimum frequency. Passive lift enhancement on flexible wings is due to the self-excited wing vibrations, which occur when the frequency of wing vibrations is close to the frequency of the shear layer instabilities, and promote flow reattachment.     

带前缘冲击复杂叶片内冷通道换热特性实验

采用瞬态热色液晶方法对不同雷诺数下静止状态涡轮工作叶片带前缘冲击复杂蛇形通道的换热特性进行了考察,得到了不同位置吸、压力面的表面传热系数分布.实验结果表明:相同雷诺数下,叶片通道内表面带肋区域两肋间的局部换热强于光滑区域,相邻两肋间的传热系数沿流动方向呈单峰分布.随着雷诺数增加,内表面传热系数提高,在弯头下游的光滑区域离心作用加强,带来该处局部换热分布不均匀,而弯头下游肋的出现可以削弱这种效果.此外,通道的收缩扩张导致主流速度的变化也给局部换热的数值和分布带来了影响.      

可压流条件下凹腔驻涡流动试验

针对几何因素和气动因素对凹腔驻涡流动的影响进行了研究.试验研究了改变凹腔的高长比、射流孔位置和主流进气角度等对凹腔驻涡流动的影响,研究了改变主次流进口流速等气动因素对凹腔流动的影响.总压损失采用总压探针测量,速度场采用粒子图像测速仪(PIV)测量.试验结果表明:①两股射流在中部和底部喷射时均能产生大尺度涡结构,在中部喷射时产生一对旋向相反的涡对,在底部喷射时产生单涡.②在中部喷射情况下,增加主流马赫数和主流进气角度,凹腔上部空间的涡度增强.③主流进口马赫数增加,试验件的总压损失显著增加.      

前缘锯齿对边界层不稳定噪声的影响

为探索仿生学前缘锯齿结构的降噪规律,试验研究了低雷诺数到中等雷诺数（Re=（2~8）×10⁵）不同攻角状态下9种前缘锯齿结构对叶片层流边界层不稳定噪声的影响。研究表明：前缘锯齿可以减弱甚至完全抑制边界层不稳定噪声,降噪效果对锯齿振幅和锯齿波长均比较敏感,锯齿振幅越大、波长越小,降噪效果越好,降噪量可达30 dB;前缘锯齿结构可以诱导产生流向涡,影响叶片下游边界层流动,破坏声学反馈回路;前缘锯齿对边界层不稳定噪声峰值频率没有影响。     

可压缩混合层密度梯度场特性的实验研究

利用纹影技术研究了不同对流马赫数（Mc=0．28,0．38,0．72）可压缩混合层密度梯度场的特性。由纹影图像可以看出：具有可压缩效应（高M。数）的混合层存在不同程度的摆动。将纹影图像对比以后还发现：当Mc〈0．3时,在可压缩混合层中发现了类似于Brown—Roshko的结构,混合层看不出明显的摆动;随着可压缩效应的增强（对流马赫数Mc〉0．3）,混合层开始摆动,并且随着对流马赫数的增大,混合层开始摆动位置向前移动。此外,还观察到不同对流马赫数下大尺度结构出现的区域有不同的特点。     

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。     

叶片前缘改型对涡轮叶栅二次流的影响

以某典型高压涡轮叶栅为研究对象,采用数值模拟的方法对比分析了两种端壁前缘改型结构对涡轮叶栅二次流产生的影响。结果表明,带状结构(Fillet)以及适当尺寸的球形结构(Bulb)可以改善涡轮叶栅内部二次流,并且降低涡轮出口气动损失。其中尺寸的选择对于球形结构(Bulb)影响很大。两种不同的改型结构相比较,带状结构(Fillet)改型方案对二次流的改善效果较为明显,结果更为理想。     

三分支管接头可压缩流压力损失的试验研究

以内燃机排气歧管三分支管接头内可压缩流动损失研究为背景,对45°三分支管接头的汇合流动进行定常试验研究,获取了在不同流动参数工况下气体流经三分支管接头时的流动数据。两个支管与主管截面积的面积比分别为1和1.56,分支夹角的交界点处以及支管的转角处都为锐角边缘。利用测试所得的数据对比分析不同工况压力损失的变化规律。试验结果表明:相比于接头处的压力损失,接头管内壁摩擦对压力损失影响较小;汇合流时,两个入流管端的静压几乎相等,出流管端的压力总是小于入流管端的压力,且随着马赫数的增大,压差也增大;流动参数的不同将影响和改变三分支气流的压力损失,其中随着支管和总管流量比的增大,总压损失系数K13、K23先增大后减小,但峰值点的位置随工况参数的不同而变化;流出端马赫数对压力损失也存在影响,马赫数为0.13和0.31时,总压损失系数变化不大,当马赫数增大到0.59时,总压损失系数大幅度增加。试验结果为分析动力管网系统中多管接头压力损失及建立排气歧管可压缩流一维计算模型奠定了基础。     

前缘形状对涡轮叶栅损失影响的机理

通过改变前缘几何形状来分析其在设计攻角、非设计攻角下前缘附近的流动机理.研究结果表明:在宽工况范围内椭圆型前缘表现出了较优越的性能,不但在设计攻角下能很好抑制吸力峰的强度以避免前缘分离泡的产生,而且在较宽的攻角范围内都能保证前缘附近边界层状态基本不变.当正攻角很大时,不同前缘形状前缘附近都会出现分离泡,且会诱导边界层发生转捩,但椭圆型前缘边界层开始发生转捩的攻角会向大攻角方向移动.在20°攻角下,椭圆型前缘叶型的损失相比基准叶型下降了7%左右.进口湍流度的增加不会改变吸力峰的强度但可以减弱前缘分离泡的强度.     

Aerodynamic characteristics of morphing wing with flexible leading-edge

The morphing wing can improve the flight performance during different phases. However, research has been subject to limitations in aerodynamic characteristics of the morphing wing with a flexible leading-edge. The computational fluid dynamic method and dynamic mesh were used to simulate the continuous morphing of the flexible leading-edge. After comparing the steady aerodynamic characteristics of morphing and conventional wings, this study examined the unsteady aerodynamic characteristics of morphing wings with upward and downward deflections of the leading-edge at different frequencies. The numerical results show that for the steady aerodynamic, the leading-edge deflection mainly affects the stall characteristic. The downward deflection of the leading-edge increases the stall angle of attack and nose-down pitching moment. The results are opposite for the upward deflection. For the unsteady aerodynamic, at a small angle of attack, the transient lift coefficient of the upward deflection, growing with the increase of deflection frequency, is larger than that of the static case. The transient lift coefficient of the downward deflection, decreasing with the increase of deflection frequency, is smaller than that of the static case. However, at a large angle of attack, an opposite effect of deflection frequency on the transient lift coefficient was demonstrated. The transient lift coefficient is larger than that of the static case when the leading edge is in the nose-up stage, and lower than that of the static one in the nose-down stage.     

前缘侵蚀对风扇转子叶片气动特性的影响机理

以某小型大涵道比涡扇发动机风扇转子作为研究目标,数值模拟了航空发动机风扇转子叶片在航线运行过程中受到侵蚀效应后的气动特性衰变情况,为后续的精细化维修奠定理论基础。风扇转子叶片侵蚀后,叶片前缘将逐步蜕变为钝头叶型并且伴随有明显的表面粗糙度。为了简化研究,假设侵蚀后的转子叶片前缘粗糙度均匀分布,分别计算了前缘粗糙度为120 μm、250 μm两种前缘侵蚀程度下的风扇转子特性。研究结果表明,风扇转子峰值效率相比于原型叶片依次下降了1.63%和2.39%。当前缘粗糙度为250 μm时,风扇转子叶片吸力面前缘近壁面极限流线有分离迹线产生,出口平均马赫数下降2.03%。     

球形破片飞行速度衰减过程实验研究

通过二级轻气炮发射方式、激光无阻测量方法测量了不同材料、不同直径的球形破片在不同初速条件下长距离(最大距离达120m)飞行时的速度衰减规律.试验结果表明:在同一初速条件下,球形破片长距离飞行时的衰减系数为常数;破片飞行空气阻力系数与破片初速有关,在战斗部设计关心的范围内(1.2 km/s～2.2 km/s),阻力系数与初速成线性关系.     

瓦状塞式喷管的实验和数值模拟研究

从冷流实验和数值模拟两方面对瓦状塞式喷管和钟型喷管的性能进行了对比研究.实验获得了集气室压强、发动机推力和环境压强等参数,得出了喷管效率的高度特性曲线.数值计算了三个实验喷管的性能,数值模拟结果与实验数据吻合较好.实验和数值模拟均表明瓦状塞式喷管相对钟型喷管具有良好的高度补偿能力;以简化的直线塞锥代替按照理想膨胀特征线法设计的型面塞锥会带来较大的性能损失;瓦状塞式喷管具有较高的性能,可以成为未来工程应用的选择方案.     

可变正弦前缘对直机翼气动性能影响的研究

通过风洞测力实验,研究了可变正弦前缘对直机翼气动性能的影响。可变正弦前缘为平板式,安装于NACA0015直机翼的前驻点处,并能自由伸展与缩回。风洞实验结果表明：加装可变正弦前缘后,直机翼呈现出缓失速特性,失速后的升力系数均有不同程度的提高,大迎角下的气动性能得到改善。可变正弦前缘伸展长度对气动性能的影响研究表明,其伸展长度是影响机翼气动性能的重要参数,只有伸展长度较小时,才能获得较好的气动性能。     

地面效应作用下翼尖涡特性的PIV实验研究

完成了NACA23012机翼地面效应条件下翼尖涡结构及升阻力特性实验。实验在拖曳水槽中模拟机翼的飞行状态,获得了在多种飞行高度、0°攻角时机翼在水平地面和正弦波浪地面附近的升/阻力、翼尖涡流场的变化规律,对比分析了水平地面和波浪地面附近翼尖涡速度、涡量分布的区别及其可能对机翼升/阻力造成的影响。实验结果表明:即使在正弦波浪地面附近,随着机翼逐渐靠近地面,升力逐渐减小至负升力,翼尖涡的强度亦发生相应变化;尤其是在小间隙比、负升力情况下,翼尖涡的旋转方向产生了改变;流场结构不仅受机翼距地面高度影响,也随着波浪地面与机翼瞬时所处位置构成的相对相位关系的不同而变化,并且涡量沿波浪地面运动的变化呈现周期性,但变化规律并不符合正弦周期,主要原因在于波浪地形与下翼面所构成的流道形状及狭窄程度的周期性变化对翼尖涡流场结构的发展和演化产生不同程度的抑制。     

等离子体控制下前体分离涡的研究

在圆锥-圆柱组合体模型半顶角为10°的圆锥前体尖端附近布置介质阻挡放电等离子体激励器,采用正弦波高压电源进行等离子体定常开/关激励。实验在3.0m×1.6m的直流式风洞中进行,迎角固定在45°,基于圆锥前体底面直径的实验雷诺数为5×10~4。对模型表面周向压力分布进行了测量,同时对测压截面处的空间涡流场进行了粒子图像测速。通过对截面压力分布和空间流场的PIV结果的分析,给出了侧向力、涡核中心位置、轴向涡量、涡核半径、次涡核半径、旋涡最大切向速度、环量等参数随等离子体激励的变化特性。结果表明:在等离子体激励的作用下,同侧的分离剪切层及其卷起的涡向外侧移动,同时另一侧的向着靠近模型的方向移动。同时激励器的作用使左舷侧涡心位置偏离次涡核的几何中心,且使得双侧的涡核和次涡核的尺寸增大。     

二维可压缩自由剪切层的理论分析

本文从"二维可压缩自由剪切层存在相对稳定的大尺度拟序涡结构,流场应该满足什么样的条件"这样一个反问题出发,应用常微分方程奇点理论对NS方程进行了分析,维持大尺度拟序涡结构的条件是流场内有交替出现的能量不平衡点,鞍点是温度极大值点,结点是温度极小值点;压缩性增加抑制了结点的生成和持续,是导致可压缩自由剪切层厚度增长速度比不可压情况变小的机理;得到的结论可以合理解释现有的物理现象.其次,对于目前研究可压缩自由剪切层广泛应用的对流马赫数进行讨论,认为在建立过程中采用鞍点是压力极大值点假设条件不合理,得出的公式不能反映介质特性,本文采用鞍点是温度极大值点作为假设条件,提出新的求解对流马赫数的公式.根据流动机理分析,提出通过在流场内建立交替出现的鞍点和结点,触发大尺度拟序涡结构,解决超燃冲压发动机混合问题;理论上给出大尺度拟序涡结构频率条件.     

旋转对弯扭涡轮叶片前缘气膜冷却的影响

基于热色液晶(TLC)测温技术,开展了转速(攻角)和吹风比对弯扭涡轮叶片前缘区域气膜冷却效率分布影响的实验研究。实验中涡轮转速分别为400 r/min(正攻角)、550 r/min(零攻角)和700 r/min(负攻角),平均吹风比为0.5~1.25。冷却工质采用氮气,对应的射流-主流密度比为1.04。基于涡轮动叶弦长的涡轮出口主流雷诺数为60 800。实验结果表明:转速是决定涡轮叶片前缘气膜冷却效率分布最重要的参数之一。随着转速的增大,滞止线的位置会从压力侧(PS)移动到吸力侧(SS)。当吹风比相同时,面平均气膜冷却效率随转速的增大而逐渐增大;当转速相同时,面平均气膜冷却效率随吹风比的增大而增大。      

底部二次流对塞式喷管影响的实验研究

基于单元塞式喷管的实验数据,研究了底部二次流对塞式喷管性能和底部特性的影响,测得了不同环境反压下塞锥表面的压强分布.实验表明,底部在不同压比下具有不同的气动状态.二次流的注入使底部开闭过渡点的压比值升高,底部开始提供推力的压比值下降,有利于避免底部开闭过渡时推力出现较大幅度降低.二次流流量达到主流的2.0%后,再加大底部二次流流量不再影响底部压强,过多地注入反而会降低塞式喷管的总体效率,1.5%～2.0%主流流量的二次流注入是比较好的选择.在低压比范围,塞锥表面有压强峰出现,随着高度的增加,压强峰后移并强度减弱.