基于全局线性稳定性分析的翼尖双涡不稳定特征演化机理

相比于机翼产生的孤立翼尖涡,加装小翼之后的翼尖涡表现出双涡甚至多涡结构,并且呈现出更加复杂的不稳定特征。为揭示翼尖双涡结构不稳定特征及其演化机理,采用体视粒子图像测速（SPIV）技术和全局线性稳定性分析（LAS）方法对不同雷诺数和攻角下带双叉弯刀小翼的M6机翼产生的翼尖涡结构在尾迹区的不稳定特征进行研究。试验结果表明,对称布置的双叉弯刀小翼产生的翼尖涡包含上/下小翼产生的主涡（上/下主涡）结构,两者构成近似等强度的同转涡对,在相互靠近的同时以20 rad/s的角速度相互缠绕。对上/下主涡瞬时涡核位置的统计分析表明,翼尖涡摇摆幅值随流向位置逐渐增大,随雷诺数的增加而增大,随攻角的增加先增大后减小。对16倍弦长的尾迹截面处的翼尖双涡结构进行全局时间稳定性分析,不同工况下,上/下主涡最不稳定模态（模态P/模态S）的稳定性曲线变化规律与摇摆幅值的变化规律相一致,表明翼尖涡的摇摆源自于其内在的不稳定性特征。增加流向扰动波数,发现模态P切向波数逐渐增加;而模态S则是径向波数逐渐增加。不同工况下,模态P的切向波数为5~6,扰动波数分布在[2.75,5]的区间内,所对应的不稳定放大率均大于模态S,而不稳定放大率最大的模态扰动范围作用在上主涡的整个涡核区域,表明这种大切向波数的扰动模态在翼尖涡流控中的潜在价值,也意味着加装小翼会增加涡结构的个数,增强不稳定性的发展,有助于翼尖涡的快速失稳衰减。     

孤立翼尖涡模态演化规律的实验研究

采用主动流动控制方法加快翼尖涡衰减破碎是提升机场起降频率、保证飞机飞行安全的最具潜力的技术之一。由于翼尖涡不稳定性认识的不足,已有的主动控制方法常常不能获得最优的控制效果。为了揭示翼尖涡不稳定模态的演化规律,采用体视粒子图像测速技术和线性稳定性分析方法对孤立翼尖涡的不稳定模态演化特征进行研究,结果表明：孤立翼尖涡的扰动模态可以根据其在特征值谱的位置分成主扰动模态、P族次级扰动模态、A族次级扰动模态、S族次级扰动模态4种;其中主扰动模态和P族扰动模态具有两瓣式的结构特征,决定了翼尖涡摇摆的各向异性特征,A族次级扰动模态具有流向速度波动大于横向速度波动的特征,S族次级扰动模态则具有更高的切向波数和作用范围。不同族扰动模态的流向演化规律不同,翼尖涡的主扰动模态和P族扰动模态沿流向发生旋转,并且扰动幅值随着流向逐渐放大,A族次级扰动模态随着流向发展会逐渐增大扰动幅值;S族次级扰动模态随着流向会逐渐覆盖住整个涡核,这种穿透涡核的扰动会随着流向进一步放大。描述了不同翼尖涡扰动模态的扰动能量随流向的演化规律,发现S族次级扰动模态有更高的切向波数特征,也同时具有较高的扰动能量增长,意味着利用S族次级扰...     

自由剪切层中的三维不稳定性

本文是在文[1]的基础上研究自由剪切层中由Kelvin-Helmholtz不稳定波发展而形成的展向大涡结构的三维不稳定性。以大涡结构为基本流动,将稳定性分析归结为二维特征值问题,用pseudo spectral(伪谱)方法数值求解。研究发现:在没有亚谐波存在的情况下,大涡结构的最不稳定的扰动波是流向波长和其相同。展向波数较高,有对流特性的三维扰动波。它在剪切层中的发展与展向涡量的分布有关,大涡结构的涡核不稳定性和辫子不稳定性是流向涡形成的主要力学机制。本文还给出了不同雷诺数下三维扰动波增长率与展向波数的关系,这些结论与实验及数值模拟结果基本一致。     

翼尖涡流场特性及其控制

大型运输飞机的尾涡系是诱发后继小型飞机空难的重要原因,需要有效的涡控制装置来削弱其强度.通过风洞实验,研究了翼型为NACA23016的矩形半机翼模型翼尖尾涡流动结构和控制方法.应用七孔探针空间流场定量测试技术研究了翼尖涡的流动结构,给出了翼尖尾涡在下游两倍弦长距离内的速度和压力场分布随迎角变化的规律.在机翼翼梢布置不同组合方式的翼梢涡扩散器,来控制翼尖涡.研究结果表明,正负90°和60°安装角的双翼梢涡扩散器可将翼尖涡涡核的静压增加60%以上.其旋涡强度削弱机理为:翼梢涡扩散器将集中的翼尖涡破碎分成两个或多个强度更弱的旋涡.在流体粘性的作用下,旋涡能量耗散更快,可有效地削弱翼尖尾涡的强度.     

Kármán涡街中旋涡三维变形的初步研究

本文用涡动力学及LIA方法作为基本理论模型,数值研究了尾迹中孤立涡和细涡丝的三维演化规律。结果表明,圆柱分离尾迹中的旋涡存在三维不稳定性。卡门涡在尾迹平均流场中演化产生三维的类似于马蹄形-勺子形的流场结构。细涡丝在涡辫区的三维演化形成趋向流场最大拉伸变形方向的流向涡结构。     

新概念机翼尾流特性实验

大型飞机常采用开启襟翼以增大机翼升力系数,实现较大迎角的起飞和降落,而机翼在大迎角状态下,翼尖会产生能量集中且自由消散时间长的飞机尾涡,严重影响后续起降飞机的安全。基于Rayleigh-Ludwieg不稳定性,提出一种新概念飞机襟翼布局,通过水槽实验发现:新概念布局的襟翼对翼尖涡的消散具有明显的促进作用,不同参数组合下襟翼涡对翼尖涡的运动特性和能量变化的影响均有不同。实验结果也为飞机尾流控制的研究提供了参考,在满足飞行力学设计的基础上,合理运用增升装置构建四涡系统可以有效促进飞机尾流的消散,提高机场飞机起降效率。     

计入畸变修正的旋翼尾迹前飞状态稳定性分析

现有的旋翼尾迹稳定性分析方法在涡线过近处会得出不现实的过大发散率结果,因而存在一定的局限性。为了消除这种前飞状态下尾迹高度畸变对其稳定性分析所造成的不合理干扰,提出了一个旋翼尾迹在正弦扰动下,结合涡线畸变修正的线性化稳定性分析方法。在该方法中,将尾迹涡线离散为一系列涡元,并对其端点施加沿尾迹涡线分布的正弦扰动;考虑了桨尖涡的自诱导、互诱导以及与桨叶的干扰作用,并创新地引入在伪涡核对稳定性分析中,因尾迹高度畸变产生的不合理干扰而进行的修正。以H-34型直升机旋翼模型为例,在前飞状态下,重点计算分析了尾迹向后飘移、涡核大小和前飞速度等对旋翼尾迹稳定性的影响。研究结果表明:引入伪涡核模型可以有效地修正在涡线过近处所产生的不现实稳定性分析结果;前飞速度、涡核大小等因素会在一定条件下有限地影响尾迹的不稳定性,但都不改变前飞状态旋翼尾迹的本质不稳定性。     

飞机近场尾涡特性数值模拟研究

对飞机近场尾涡参数进行定量分析是研究尾涡运动、消散规律的基础,也是合理缩减空中交通尾流间隔的重要理论依据.采用有限体积法求解质量加权平均Navier-Stokes方程,湍流模型采用RSM模型,数值模拟了B757-200飞机的近场尾涡特性,并对飞机尾涡参数进行了相关计算.结果表明:在飞机尾涡的近场区域初始尾涡位置与飞机迎角无关;涡核间距随流向距离的增加线性减小;尾涡切向速度的最大值随流向距离的增加呈指数规律递减;涡核半径约为机翼展长的5％ ～ 10％.     

后退式微型后缘装置对机翼增升和流动特性影响的实验研究

实验测量了加装"后退式微型后缘装置"的NACA23012机翼在低雷诺数下的升/阻力、力矩和翼尖涡速度分布,并根据实验测量结果研究了该装置对机翼气动特性和翼尖涡结构的影响。实验升/阻力由六分量风洞天平测量,翼尖涡速度分布用七孔探针扫描获得,自由来流速度为15m/s,以弦长为特征长度的雷诺数为1×105。结果表明:与NACA23012原型相比,加装"后退式Mini-TED"后机翼升力显著增加,失速攻角减小;而使机翼阻力比原型翼在小攻角时略有增加,但在大攻角时有更明显的增长;在中高升力系数的情况下,机翼升阻比明显大于原型机翼;Mini-TED使得气动中心后移,相比于原型翼,机翼低头力矩以较为平稳的趋势增加,使机翼在中等攻角和大攻角情况下的俯仰稳定性得到提高;翼尖涡测量结果显示,后退式Mini-TED机翼在相同的正攻角下具有更大的上下翼面压力差,诱导出更强的翼尖涡和下洗运动,从而使得诱导阻力增加,总阻力也随之增加。     

HyTRV流场特征与边界层稳定性特征分析

高超声速转捩研究飞行器（HyTRV）是为研究三维复杂外形的边界层转捩问题而设计的一款具备真实飞行器典型特征的升力体标模。为支撑更加全面系统的理论分析、数值模拟、风洞试验和飞行试验研究,采用高精度数值模拟方法、线性稳定性理论（LST）和e^N方法对HyTRV标模的典型流动特征和边界层失稳特征进行了分析。研究表明,HyTRV展现出多个相对独立的横流区域和多个流向涡结构;HyTRV的边界层存在横流失稳模态、第二模态、附着线失稳模态等常见模态。横流失稳模态出现在周向高低压区之间的横流区域,能够主导转捩发生;横流区域同时也存在第二模态,其N值普遍比横流失稳模态小;附着线失稳模态呈现出第二模态特性,且频率非常高。还研究了攻角和单位雷诺数的影响。结果表明,随着攻角增加,标模下表面中心线的流向涡结构逐渐消失,横流雷诺数逐渐减小;上表面流向涡结构逐渐从腰部移向顶端,并出现新的流向涡结构。增加攻角,所有失稳模态的N值总体上逐渐减小;增加单位雷诺数,N值显著增加。基于研究结果,针对流向涡失稳、横流失稳、第二模态和附着线失稳等给出了研究建议。     

Instability characteristics of a co-rotating wingtip vortex pair based on bi-global linear stability analysis

The Stereo Particle Image Velocimetry (SPIV) technology is applied to measure the wingtip vortices generated by the up-down symmetrical split winglet. Then, the temporal bi-global Linear Stability Analysis (bi-global LSA) is performed on this nearly equal-strength co-rotating vortex pair, which is composed of an upper vortex (vortex-u) and a down vortex (vortex-d). The results show that the instability eigenvalue spectrum illustrated by (ω_r, ω_i) contains two types of branches: discrete branch and continuous branch. The discrete branch contains the primary branches of vortex-u and vortex-d, the secondary branch of vortex-d and coupled branch, of which all of the eigenvalues are located in the unstable half-plane of ω_i > 0, indicating that the wingtip vortex pair is temporally unstable. By contrast, the eigenvalues of the continuous branch are concentrated on the half-plane of ω_i < 0 and the perturbation modes correspond to the freestream perturbation. In the primary branches of vortex-u and vortex-d, Mode P_u and Mode P_d are the primary perturbation modes, which exhibit the structures enclosed with azimuthal wavenumber m and radial wavenumber n, respectively. Besides, the results of stability curves for vortex-u and vortex-d demonstrate that the instability growth rates of vortex-u are larger than those of vortex-d, and the perturbation energy of Mode P_u is also larger than that of Mode P_d. Moreover, the perturbation energy of Mode P_u is up to 0.02650 and accounts for 33.56% percent in the corresponding branch, thereby indicating that the instability development of wingtip vortex is dominated by Mode P_u. By further investigating the topological structures of Mode P_u and Mode P_d with streamwise wavenumbers, the most unstable perturbation mode with a large azimuthal wavenumber of m = 5–6 is identified, which imposes on the entire core region of vortex-u. This large azimuthal wavenumber perturbation mode can suggest the potential physical-based flow control strategy by manipulating it.     

MVG控制斜激波/湍流边界层干涉的大涡模拟

采用浸没边界法(IBM)对带有微型涡发生器(MVG)控制器的激波/湍流边界层干涉流动进行了大涡模拟(LES)。以来流马赫数为2.3的斜激波(由平板上方8°楔产生)为基本流动入射平板湍流边界层,通过在干涉区前布置MVG阵列来控制激波诱导的边界层分离。采用浸没边界法处理MVG的复杂几何,分析了MVG尾迹区平均流速度剖面,雷诺应力,瞬态旋涡结构。结果表明:时均流场显示MVG尾迹区存在一对对转的主流向涡,流向涡加剧了边界内的动量交换从而增加了边界层抗分离能力,而瞬态流场则反映出MVG尾迹区的剪切层由于Kelvin-Helmholtz(K-H)不稳定性会卷起为一列展向旋涡。     

超声速平板边界层中流向涡的生成条件

针对马赫数为4.5的超声速平板边界层,基于线性稳定性理论（LST）选取初始扰动组合,通过直接数值模拟（DNS）,计算了第一模态不稳定波扰动组合沿流向演化生成流向涡的过程。采用改进Omega-Liutex旋涡识别方法进行涡识别,结合流向不同位置截面的流线图,分析了流向涡的生成特性。根据流向涡在zy截面内的流线特征,提出了流向涡的生成条件,研究发现:流向涡可以直接通过一对展向对称的第一模态不稳定斜波扰动与基本流叠加得到,不是必须经过非线性作用。      

微型飞行器小展弦比薄翼流场中的翼尖涡特性分析

采用虚拟压缩方法求解三维不可压缩N-S方程,数值模拟了无弯度、有弯度两类微型飞行器低雷诺数小展弦比薄翼的流场,将得到的结果与实验进行了对比,数据间吻合较好.然后在此基础上分析了小展弦比薄翼的气动力特性,详细研究了小展弦比薄翼流场中翼尖涡的涡态结构及形成规律,在对小展弦比薄翼流场尾迹区的翼尖涡采用近似模型的基础上,对尾迹区翼尖涡的强度进行了分析.结果表明,翼尖涡是影响小展弦比薄翼气动力和流动分离特性的一个重要因素.     

组合小翼和翼梢喷流对翼尖涡的影响实验研究

对翼梢组合小翼构型和翼梢喷流控制翼尖涡进行了实验研究,在此基础上,提出组合小翼与翼梢喷流联合控制翼尖涡的方法,并对翼尖涡的控制效果进行了实验研究。实验在一低速直流式风洞中进行,基本模型为NACA0015二元截尖翼型,基于弦长和自由来流速度定义的雷诺数Re=5.3×10^4,喷流系数（喷流与自由来流的动量比）Cμ=0.017。研究结果表明：组合小翼构型能有效破碎主涡,改善翼尖部位的局部流动,并使最大升力系数提高12.3%;喷流可加剧涡核摆动,控制涡核位置,对翼尖涡的初始生成有一定的抑制作用;2种组合构型均达到了较好的翼尖涡控制效果,其中,喷流加强了组合小翼产生的同向涡之间的相互作用。在X/C=3时,瞬态涡量峰值的平均值相比单独用＂＋0-＂构型控制时减小37%,比没有任何控制时减小79%。组合构型的控制效果取决于喷流控制能否促使翼尖涡主涡与小涡涡系尽早、尽快地相互作用以及主涡涡核的偏移方向。