广义涡格法对超音速侧滑翼的推广

1.引言 文[1]和[2]以线化小扰动理论为基础,提出了一个变换法则,可将无侧滑的常值面涡基本解推广为有侧滑情形(不限于小侧滑角)。应用到Woodward方法,对有侧滑情形,只要求与无侧滑情形一样划分小块。涡格法是较早出现的计算机翼载荷分布的方法,广泛应用于亚音速,但直到1976年以后才推广到超音速,出现了广义涡格法。由于涡格法的斜马蹄涡模型是小块弦长趋于零的常值面涡模型的极限情形,因此文[2]的变换同样适用于涡格法模型。本文目的,是用文[2]的变换将文[4]的广义涡格法推广应用到有侧滑的超音速机翼,确定由升力引起的滚转力矩。 2.基本方法与普通涡格法一样,将机翼划分小块,沿小块布置斜马蹄涡,见图1。     

翼型—扰流片的分离气动特性计算

本文介绍了用涡面元法模拟带扰流片的翼型低速无粘分离绕流。在翼型和扰流片的面元上分布线性变化涡。在扰流片后的上下分离流线的面元上分布等强度的涡。上分离流线始自扰流片的梢部，下分离流线自翼型的后缘引出。分离所泡由两离散涡结尾。气泡内总压为常值，它与涡强大小一同求解。分离气泡的形状在迭代求解过程中确定。压强分布和升力系数的计算值与现存文献的数值结果和实验数据是一致的。     

亚、超音速小侧滑角机翼升力面理论和数值计算方法

本文推导出侧缘与自由流不平行的常值面涡半无限角翼基本解,其特征是从面涡小块背风侧缘拖出的涡不是顺着自由流,而是沿着侧缘拖出,从而克服了用Woodward方法计算侧滑翼绕流中使用对称分划小块的困难,提出了适用于从亚音速直到超音速范围的推广的Woodward方法。本方法将问题分解为若干个对称与反对称问题,大大地节省了计算机内存量或计算时间。本文还从基本方程,或者直接从数值计算方法出发,推导出准相似律。计算结果与精确解以及和其他方法的结果符合得很好。     

亚音速全机侧滑气动特性的奇点分布数值解法

本文根据小扰动渐近展开的内外解衔接法,对亚音速全机侧滑问题,用源(汇)、偶极子分布代表机身,涡格分布代表升力面;并对翼-身-尾干扰提出了小扰动处理法。通过算例表明,本文提供的方法是可行的。     

基于表面压力信息的空间流向涡识别方法

旋涡与表面的相互作用广泛存在于各类飞行器的绕流中，旋涡影响飞行器表面的压力分布，引起其气动特性的改变。而表面压力分布同样反映飞行器绕流中复杂涡系的空间流动特征，结合迎角、侧滑角等来流参数，可以判断飞行器受力状态和运动趋势。以平面点涡和“镜像涡”理论为基础，建立基于表面展向压力分布曲线的空间涡识别方法。根据截面展向压力分布曲线是否存在因主涡诱导下洗气流产生的正压区，定义流向旋涡的近物面流动和远物面流动；根据二次涡相对于主涡的位置，定义压力分布曲线的“近二次涡侧”和“远二次涡侧”。利用展向压力分布曲线“远二次涡侧”的1/4峰值、峰值及其展向位置，识别流向旋涡空间位置特征和强度特征。搭建涡-面相互作用试验平台，比较空间流场测量结果和表面压力信息识别结果，验证该方法有效性。研究结果表明：通过表面压力分布曲线可以辨识流向旋涡的空间位置和强度特征，空间流场测量与基于表面压力信息的旋涡识别结果的关联性分析验证了该方法的有效性。为重构飞行器周围旋涡流动结构，以及实现飞行器气动力的预测奠定了重要的技术基础。     

机翼／机身低亚声速最大升力系数预测方法

本文研究了大展弦比机翼／机身低亚声速最大升力系数的半经验预测方法。该方法采用便宜可靠的势流面元法／分离泡／边界层粘性耦合技术与最大升力状态下流动现象的观察经验（压力偏差律）相结合。其中势流面元法采用第二代低阶面元法，每个面元上常值源汇和常值仍极子奇点分布；机翼后缘分离流采用简单有效的虚拟固体边界包围分离区模拟方法。它包括二维和三维间的信息交换，以及粘性／势流间的耦合迭代。ＧＸ－Ⅱ机翼／机身算例表明该方法能够计算机翼／机身详细的亚声速气动载荷和表面压力分布。计算的Ｃｌ－α曲线结果与实验数据有较好的一致性。     

民用飞机侧滑角传感器安装位置数值研究

侧滑角传感器的安装位置会影响当地侧滑角测量的准确性,并且其尾迹涡可能会影响到布置在机头两侧其他传感器,因而研究侧滑角传感器的安装定位对民用飞机的操控特性和安全性有着重要意义。采用基于非结构网格的计算流体力学(computational fluid dynamic,简称CFD)数值模拟方法研究了侧滑角传感器安装位置对机头附近当地侧滑角和对当地攻角的影响。计算构型分别为全机干净机身构型和全机干净机身加上安装在机头上两组不同位置分布的侧滑角传感器构型。计算工况为来流马赫数0.85,来流攻角±2°,干净构型的来流侧滑角为0°～20°,传感器构型来流侧滑角0°和10°。对三种构型的流场、机头偏移面处当地侧滑角、当地攻角分布和无量纲涡量分布进行了分析比较,得到侧滑角传感器处当地侧滑角随来流侧滑角的变化规律,以及侧滑角传感器的尾迹影响区域及其对机头两侧当地攻角分布的影响,并给出了侧滑角传感器尾迹影响下机头两侧攻角传感器的合理布置区域。     

亚声速全机纵横向气动特性计算方法

本文介绍了一种涡格方法,它适用于亚声速飞机的纵横向气动特性计算。该方法中,升力面用布置在中弧面的平均平面上的单涡格层,或用布置在上、下表面的平均平面上的双涡格层模拟,机身则由布置在表面上的四边形涡环或由布置在一组同轴棱柱面上的涡栅来模拟。地面效应用布置镜像涡系的办法处理。文中讨论了机翼尾涡偏斜对平尾、立尾的影响。 该方法计算的结果与有关的理论和实验进行了比较。这些比较表明,此方法计算精度满足工程设计的要求。     

直升机旋翼对机身气动干扰的计算

基于旋翼自由尾迹模型和三维机身源面元模型，建立了一个全耦合的旋翼／机身气动干扰迭代计算方法。为正确模拟旋翼桨尖涡与机身表面间的大定常贴近干扰，采用了一个“分析数值匹配法”的“贴近涡／面干扰模型”。应用该计算方法，分别计算了旋翼干扰状态下的机身表面点的非定常压强分布和机身的非定常气动升力，俯仰力矩随前进比的变化，以及干扰前后的机身定常压强分布。计算表明，机身上由于旋翼的干扰引起的非定常气动载荷呈现出与旋翼相同的周期性。然后，对比了本“贴近涡面干扰模型”和先前“截断涡线模型”对干扰计算的影响，表明了前对计算结果的重要改进。     

升力面方法在冲压空气涡轮性能计算中的应用

应用现代螺旋桨升力面元方法计算冲压空气涡轮的气动性能,叶片采用单层涡模型,尾涡采用与Goldstein假设一致的刚性尾涡,将螺旋马蹄尾涡视为开口涡环以便于编程。对一个模型冲压空气涡轮作数值计算,在小负荷和较大负荷工况下风能利用系数均与实验值符合的较好,涡元控制点的诱导速度和环量分布合理。      

计算跨声速机翼尾涡流自适应区域方法

本文利用自适应区域方法调节机翼后每个Ｔｒｅｆｆｔｚ平面上的计算域，使得尾涡对这个计算域边界的影响足够小，从而提高了计算的精度和时间。考虑到间断面的影响，在尾涡面上引入有旋项对流场进行计算。椭圆载荷机翼计算表明本文计算结果与经典Ｂｅｔｚ理论一致。用本文方法对某轰炸机进行了计算，计算结果已用于预计其实际飞行的尾涡面。     

一种预测平板尾迹噪声的时域无网格方法

基于离散涡方法和涡声理论建立了一种预测二维平板尾迹发声的时域无网格方法。该方法应用解耦方式完成声场计算,首先使用离散涡方法计算了均匀来流作用下的平板尾迹流场,得到了流场中点涡的涡量、位置和速度等关键参数,然后基于涡声理论建立了自由空间中点涡发声模型,并引入了时域边界元方法来模拟平板表面对声场的散射作用,计算得到了平板尾迹涡发声的偶极子声场分布和指向性等关键特征。通过对上下表面涡以及平板散射对声场贡献的深入分析表明,从平板尾缘上下角点脱落并卷起的涡团均为偶极子源,平板的散射作用使得声场在一定程度上得到加强,并且使声场具有极大值方向垂直于平板表面的偶极子指向性特征。所建立的无网格方法计算快速,能同时获得流场和声场分布的关键特征,可提升对气动噪声产生机理的基本认识,同时还为尾迹噪声的理论研究提供了一种具有工程应用价值的可靠计算方法。     

模拟厚度翼型非定常运动的涡方法

本文研究二维厚度翼型的大攻角非定常运动。用沿翼型表面分布的源和面涡来模拟翼型的厚度效应和升力效应,应用离散涡方法模拟前缘分离涡层和尾涡层。计算了大攻角翼型作俯仰运动的情形,与实验结果符合较好。     

基于数值模拟的飞机近场尾涡特征参数计算

尾流间隔是飞机起降和飞行过程的安全保障。近场尾涡特征参数是尾涡远场演变和消散研究的基础，是缩减尾流间隔以提升机场及空域容量的理论依据。采用雷诺平均法数值模拟A320飞机尾涡的近场演化过程，对近场尾涡特征参数的计算方法进行了研究。结果表明：与Hallock-Burnham模型相比，Lamb-Oseen模型能更准确地描述近场尾涡速度分布；采用平均椭圆法计算的近场尾涡涡核半径比采用传统方法计算的精度更高；数值模拟中，A320机型更适合采用3～12 m的平均环量值来描述近场尾涡强度。     

激光雷达探测飞机尾涡选址方法研究

飞机尾涡是航空器产生升力时的附加产物,影响到其他航空器的飞行安全。为保障飞行安全避免尾涡影响,空中交通管制员为航空器之间配备以时间或距离为基准的安全间隔。激光雷达（light detection and ranging,LiDAR）是一种可以精确、快速地获取地面或大气三维空间信息的主动探测技术,可用于对飞机尾涡进行探测。本文主要基于激光雷达探测技术指标、航空器在上升和下降过程的关键位置分布及飞机尾涡特性,总结激光雷达探测飞机尾涡的选址方法,为更好地探测飞机尾涡奠定基础。     

ARJ21飞机尾涡在侧风条件下的近地演化数值模拟

尾流间隔是飞机起降安全的重要保障，也是制约机场效率的重要因素之一，而飞机尾涡的近地演化特性与规律是制定尾流间隔系统的基础和依据。因此，研究国产机型的尾涡近地演化特性与规律具有重要的现实意义。应用升力面模型初始化尾涡流场，采用自适应网格大涡模拟技术数值研究ARJ21客机尾涡在侧风条件下的近地演化过程，并分析在不同侧风条件下尾涡的演化与衰减特性。数值结果显示上游涡与下游涡演化具有不对称性，其中下游涡衰减更快，但移动距离更远，并且侧风越强尾涡衰减越快。此外，根据ARJ21尾涡的数值结果分析了不同机型跟随ARJ21进近时的安全性，发现重型机可不考虑其尾涡影响，而中型机和轻型机需根据气象条件选择合适的最小尾流间隔。     

尾涡中涡强与轴向速度的相互关系

大型飞机的翼尖涡会对飞入它尾流中的其它飞机造成巨大的危害。文章希望找到尾涡核中的轴向速度超过自由流速度的条件，从而深入了解这种尾涡的特性。在风洞实验中，我们采用的机翼模型的型号是NACA0015，它的半翼展展弦比为0．80。我们利用三传感器热线探针来测量尾涡核中的轴向速度，并将之与测得的涡的环量进行了比较，结果发现，轴向速度与一个无量纲环量参数呈线性关系。当这一环量参数较小时，轴向速度小于自由流速度，而当环量增大时，轴向速度也将逐渐增大，甚至能够超出自由流速度70％。我们还发现，轴向速度的大小对实验中所采用的两种端帽结构——平型和圆型十分敏感。另外，如果利用涡的半径来修正这一环量参数，那么两种端帽结构下的数据将会重合为一条直线。     

一体化乘波进气道改进设计和流动特征分析

为提高一体化乘波进气道的性能,通过采用壁面马赫数反正切分布内收缩基准流场和改进密切轴对称过程中的控制型线实现了对一体化乘波进气道的改进设计。通过数值仿真分析了该构型设计与非设计状态下的性能和流动特征。结果表明:设计状态下,该构型性能优良,具有前体/进气道一体化设计的特点,压缩面切除造成压缩面边界层内存在横向流动。不同攻角来流状态下,前缘弯曲激波的形状变化较小,有助于提高进气道非设计工况下的性能。侧滑来流状态下,内压缩段的流动不均匀,该构型的性能随侧滑角的变化是非线性的,内压缩段背风侧会出现低压区,诱导出流向涡,当截面内的气流流向低压区时,内压缩段内会形成双涡结构,当气流流出低压区时,第二个涡会被耗散掉,形成单涡结构。      

大迎角下椭圆截面头部细长体的涡系和压强分布

本文对具有椭圆截面头部和尖拱形头部的细长体在大迎角下进行了涡系流态观察和表面压强分布测量。研究阐明了大迎角侧滑下细长体的头部几何形状与其所生的复杂涡系之间的相互关系,以及与此相应的截面压强分布和轴向侧力分布的变化。通过详细地了解整个流动情况,揭示了具有扁平头部的细长机体能够增大航向静稳定性的机理。     

可渗透面对流FW-H方程伪声产生机制和抑制方法

可渗透面对流FW-H方程及其积分解在远场气动噪声预测中广泛应用，但当涡波通过可渗透面时会产生伪声传播。本文旨在清晰阐明这种伪声的产生机制，并提出有效抑制方法。耦合分析可渗透面对流FW-H方程的右端厚度源和载荷源，发现厚度源的物质导数和载荷源的散度操作可使积分面源自动过滤伪声源。伪声的产生源于对流FWH方程的求解采用了Farassat提出的分部积分公式，因部分积分项被忽略，导致伪声源自动过滤功能失效。从厚度源和载荷源中抽取含有涡波扰动的项，在对流波动方程求解过程中保留相应的物质导数和散度操作，以抑制涡波伪声传播。数值测试算例验证了伪声产生机制和抑制方法的正确性。