FL-2风洞亚跨声速大振幅实验技术研究

飞机在大迎角下机动飞行，流动状态的非定常性是其主要特性。对此进行研究是十分必要的。为了在高速风洞中开展飞机大振幅动态特性研究，专门设计了一套大振辐动态试验装置，使FL-2风洞具备了大振辐动态试验能力。并用此装置在FL-2风洞初步完成了一期试验。文中主要对此试验装置及其试验能力和风洞试验情况作了介绍。     

低速风洞带动力模型自由飞试验

为在风洞中模拟飞行器六自由度飞行的物理过程,获取飞行器流动/运动/控制耦合特性,对低速风洞带动力模型自由飞试验技术进行了研究。基于相似准则,在大型低速风洞建立了试验系统,利用纵向静不稳定的动力学相似缩比模型飞机,经过飞行控制律闭环控制增稳后,开展稳态飞行、施加标准激励验证飞行、控制律参数调整验证飞行、大迎角飞行等自由飞试验,并将试验结果与原型机飞行仿真结果进行了对比研究。结果表明,基于相似准则建立的低速风洞带动力模型自由飞试验系统,能够有效模拟飞机闭环控制飞行过程,试验结果准确反映原型机的稳定与控制特性。低速风洞带动力模型自由飞试验验证了原型机的飞行控制律,预测了其大迎角失速/偏离特性,形成了飞行器气动/飞行力学/控制一体化风洞试验研究能力。     

基于数值风洞技术的民用飞机系留气动载荷计算研究

基于数值风洞技术,针对在低速风洞进行的民用运输飞机的地面系留载荷风洞试验进行了模拟研究。使用CFD软件建立了风洞试验段和飞机风洞模型的数值模型。根据风洞试验条件设置数值计算条件,计算了侧滑角在0毅~ -180毅范围内的飞机模型气动力。由于数值模型包括了洞壁、地板,计算结果和试验结果吻合良好。结果分析表明:当-120毅臆茁臆-90毅时,前起落架系留装置将承受较大的载荷,该载荷主要源于大偏航角时平尾部件产生的抬头力矩引起的纵向载荷,以及偏航力矩引起的横向载荷;Cl 比Cm 小两个数量级,对系留载荷的影响不占主导地位;将平尾、升降舵或方向舵预偏可降低系留载荷。为民用飞机低速风洞试验数值建模提供了参考。     

全机模型大迎角侧向力控制的实验研究

研究和验证了在风洞模型试验雷诺数为70万情况下,在大迎角细长旋成体头部安置非定常小扰动激励器来控制非对称流动从而控制侧向力的技术.利用大迎角细长旋成体非对称流动的主动流动控制技术,在DBM-1全机模型大迎角状态下,以很小的能量输入为代价得到了可控的侧向力和偏航力矩.     

耦合运动非定常气动模型对飞机飞行特性仿真的影响

 在大振幅偏航滚转单自由度强迫振荡和耦合强迫振荡运动风洞试验的基础上,分别运用准定常气动力建模方法和非定常气动力建模方法,获取飞机的气动力模型;运用两种不同的气动力模型,对飞机的纵向正弦振荡机动飞行进行了仿真。结果表明,准定常模型在小迎角下的仿真结果与非定常模型的结果基本一致;在较大迎角时,准定常模型仿真结果趋于稳定,而非定常模型仿真结果使飞机进入横航向振荡飞行状态,这一现象与F-16XL的试飞结果类似,其主要原因是耦合运动的非定常模型与准定常模型所产生的阻尼特性不一致。这也表明,分析大迎角飞行特性时应考虑耦合运动下的非定常气动特性。     

民机极限飞行状态的动态气动力试验与建模

飞行失控是造成民机灾难性航空事故的重要因素,飞行失控中飞机难以避免超出正常飞行包线范围,进入具有复杂非线性和非定常动态气动特性的极限飞行状态。本文开展典型民机布局飞机极限飞行状态的动导数、大振幅试验,对大迎角动态气动力的参数影响规律以及非线性、非定常特性进行分析和建模。结果表明,在飞机失速到过失速区域,飞行姿态快速变化过程中动态气动力的非线性和非定常特征显著;在动导数试验和建模中,考虑运动角速率的影响,可以预示气动力非线性的迎角范围,并捕捉到关于飞机动稳定性演化的关键特征;利用Goman-Khrabrov状态空间模型结合大振幅试验,可以确定模型中表征非定常特征的关键时间常数,获得特定极限飞行状态运动中的非定常动态气动力特性。研究方法和结果为开展民机极限飞行状态的动态气动力风洞试验设计与建模提供了一个可行途径,能改进飞机飞行失控预防、极限状态改出、飞行模拟训练和飞行事故分析等。     

某层流机翼验证机风洞试验数据修正方法

高亚声速条件下机翼层流特性对雷诺数非常敏感,风洞试验雷诺数与飞行雷诺数有较大差异,需要对验证机风洞试验数据进行合理修正。针对验证机对雷诺数效应敏感的特点,首先总结并对比了基于经验公式和基于数值模拟的风洞试验气动力系数雷诺数效应修正方法的优缺点和适用性,并给出了风洞试验中伪雷诺数效应和模型差异等的影响,为验证机试验数据修正提供了思路。然后结合变雷诺数数值模拟对验证机气动特性进行雷诺数效应影响规律研究。最后使用基于变雷诺数数值模拟的试验数据修正方法将验证机高低速风洞试验结果由低雷诺数向高雷诺数修正。结果表明：变雷诺数数值模拟风洞试验数据修正方法对层流机翼验证机高低速风洞试验数据修正效果良好,为验证机精细设计提供数据支撑。     

螺旋桨飞机滑流非定常数值模拟研究

采用非定常数值模拟方法,基于滑移网格技术,分析研究螺旋桨滑流对全机气动特性的干扰影响。用多块结构网格数值模拟软件,从搭接边界建立、搭接网格生成、流场插值传递3个方面对螺旋桨滑移搭接网格的数值模拟方法进行全面详细的介绍,并且阐述基于该技术的非定常数值模拟方法。在此基础上,开展螺旋桨飞机模型验证计算,分析研究螺旋桨滑流对全机流场和气动性能的影响,通过与风洞实验数据的对比分析,验证滑移搭接网格技术的可行性与准确性。研究结果表明,基于滑移搭接网格技术的螺旋桨滑流数值模拟,可以真实反映螺旋桨滑流流场特性,为螺旋桨类飞机的设计评估提供一种有效的数值模拟手段,在工程方面具有重要的实用价值。     

C919飞机高速高雷诺数风洞试验圆满完成

2月9日，C919飞机高速高雷诺数风洞试验在欧洲跨声速风洞（ETW）顺利完成，获得了C919飞机从低雷诺数（400万）到高雷诺数（3500万）状态下全机纵向气动力数据．机翼的变形数据和高雷诺数下翼面流动特性。为全面可靠的高速数据集的建立提供了强有力的支撑。     

螺旋桨飞机升力失速特性研究北大核心CSCD

飞机的最大升力系数 CLmax 直接影响翼载的选取,进而影响飞机的重量和经济性。螺旋桨飞机在带动力条件下 CLmax 随滑流强度增加而提高,但按照常规理论采用无动力 CLmax 数据选取的翼载偏小偏保守,没有充分发掘飞机的性能潜力。结合适航规定以及某四发螺旋桨飞机飞行实际情况,提出了一种基于发动机慢车状态确定 CLmax的概念,并将飞机带动力 CLmax 分解为无动力 CLmax 、螺旋桨拉力、螺旋桨法向力、滑流增升效应等4部分贡献,通过无动力和多天平带动力风洞实验完成了上述分量的模拟、测量和修正。计算表明某四发螺旋桨飞机在发动机慢车失速试飞条件下的滑流强度约为0．1,螺旋桨系统的动力增升作用使不同襟翼构型的 CLmax 增加8％～9％。该方法获得的 CLmax 与飞机试飞结果较为吻合,充分挖掘了飞机的低速性能潜力,并为同类螺旋桨飞机设计提供了一定的参考。     

涡桨飞机螺旋桨滑流气动干扰效应及流动机理

螺旋桨滑流对飞机各气动部件的干扰是涡桨飞机气动设计中面临的难点之一。以某双发涡桨支线客机为对象,采用数值模拟手段分析了滑流对机翼、平尾、垂尾的影响及其流动机理。计算采用基于动态面搭接网格技术的非定常方法,气动力与表面压力分布的计算结果均与实验值吻合良好。研究结果表明：在滑流影响下,全机升力和阻力有所增加,升阻比和纵向静稳定度有所降低,并在无侧滑状态下产生了滚转力矩和偏航力矩;在不同展向位置,滑流对机翼表面流动分离的影响存在显著的差异。在螺旋桨下行运动一侧,滑流的旋转减小了当地迎角,同时桨后气流速度较高,翼面流动分离被有效抑制。在螺旋桨上行运动一侧,滑流的旋转增大了当地迎角,而且桨后气流速度较低,因而翼面流动分离并未得到明显改善;在中小迎角下,滑流对背景飞机平尾当地的动压没有产生影响,但增加了下洗角变化率,进而导致平尾效率降低;垂尾的侧力与偏航力矩是由滑流的侧洗引起的,而滑流的侧洗又与左右两侧机翼升力分布的不对称性有关。     

考虑螺旋桨滑流的涡桨运输机失速速度的适航验证

涡桨运输机使用螺旋桨作为能量输出,滑流是螺旋桨飞机的重要特征,在适航验证时需考虑。失速速度是反映飞机气动特性的重要参数,在开展失速速度的验证时考虑滑流的影响尤为重要。分析了螺旋桨滑流对飞机气动特性的影响,根据涡桨运输机失速速度的适航规章条款CCAR25.103的相关要求,提出了涡桨运输机考虑滑流影响的失速速度的适航验证思路及具体的验证方法。以一型涡桨运输机滑流影响的风洞试验为例,给出了该型飞机在发动机慢车状态下,巡航构型时考虑滑流影响的纵向气动特性试验结果,试验结果进一步证明了在进行失速速度验证时考虑滑流影响的重要性,为失速试飞提供了依据。文中给出的验证方法为涡桨运输机的失速速度以及飞行性能和飞行品质相关的其它适航条款的验证提供了参考。     

螺旋桨滑流对短舱/机翼构型尾迹流场的影响

螺旋桨滑流对飞机机翼表面流动和尾迹流场有重要的影响,进而改变机翼和飞机的性能。本文通过风洞试验方法开展了螺旋桨滑流对尾迹流场的影响研究。试验模型为后掠角4°、带增升装置的螺旋桨/短舱/机翼模型,试验构型包括襟翼收回和襟翼打开,试验策略是在两种构型下分别同时模拟真实飞行状态的拉力系数和前进比。通过比较有/无螺旋桨时空间尾迹流场的速度场和流动偏角等,分析滑流在尾迹流场中的发展规律和影响范围,研究尾迹流场中滑流的加速效应、下洗和侧洗效应等。结果表明,在滑流作用下,机翼远后方流场参数在机翼展向和垂直方向上均呈现复杂的变化;同时,襟翼收回和襟翼打开构型的滑流效应有明显的区别,影响规律也有所不同。     

鸭式布局飞机矢量喷流对地面效应影响的风洞试验

针对单发鸭式布局飞机,通过低速风洞试验,研究了矢量喷流对飞机地面效应的影响特性。研究结果表明：发动机喷流使得飞机的地面效应增强,升力系数增加,降低飞机起飞/降落时的飞行速度,缩短起降距离,从而改善飞机起降性能。发动机喷管上/下偏转时,矢量喷流对飞机上下表面气流诱导不对称,均使地面效应阻力系数增量减小。在此基础上,基于数值模拟结果对喷流与地面效应的相互作用机理进行了分析。     

基于OpenFOAM的水陆两栖飞机水面高速滑行研究

在开源软件OpenFOAM的两相流动态解算器中添加了激励盘,数值研究了考虑动力影响的大型四发涡桨水陆两栖飞机在水面高速滑行时的典型力学特性。针对水陆两栖飞机的特殊性,全面考虑了飞机高速滑行时的水动力、气动力、地面效应以及螺旋桨的动力影响,较为真实地模拟了飞行器水上起飞的瞬时状态。首先,在interDyMFoam中添加了激励盘模型,以体积力的形式将螺旋桨旋转产生的动量注入流场,用以模拟飞机起飞时大拉力情况下滑流的动力学影响,较螺旋桨非定常模拟方法大幅减少了计算量。其次,对Wigley船体标模和螺旋桨单桨模型分别进行了考核,验证了OpenFOAM的水动力计算能力并确认了新加入的动态激励盘方法的可靠性。最后,利用建立的方法研究了水陆两栖飞机水面单断阶滑行过程中的气动力和水动力特性并给出了滑流和动力的影响规律。     

螺旋桨滑流对增升装置气动特性影响研究

采用准定常N—S方法,通过单独螺旋桨模型计算结果与非定常、试验结果的对比,验证了计算螺旋桨滑流的可行性。重点对带两台螺旋桨发动机的增升装置流场特性进行了计算分析,研究了螺旋桨滑流对飞机流场和气动性能的影响。研究结果表明：螺旋桨滑流明显改变了机翼表面的压力分布,使飞机升、阻力系数增大。为螺旋桨飞机设计提供了一种快速、有效的数值模拟手段,在工程领域具有一定的应用前景。     

某电动飞机螺旋桨气动特性数值模拟与风洞试验

以某型电动飞机螺旋桨为研究对象,基于RANS方程和SST湍流模型的MRF方法对螺旋桨进行高精度滑流准定常数值模拟和性能计算。为了验证计算和设计的合理性,对该型螺旋桨进行了缩比模型风洞试验。试验结果表明,数值模拟计算结果与风洞试验数据吻合较好,证明该方法可为螺旋桨设计提供指导。     

CFD在螺旋桨飞机滑流影响研究中的应用

通过求解绝对坐标系下的非定常雷诺平均Navier-Stokes方程,计算了非定常滑流对某飞机巡航构型低速状态的气动特性影响。为描述螺旋桨桨叶的相对运动,采用了动态重叠网格技术,并在并行环境下采用全隐式双时间步方法和多重网格技术来保证时间精度和提高计算效率。将计算结果与试验结果相比较,在线性段,计算得到的升力系数与试验值总体偏差不超过2%,阻力系数相对试验值而言整体偏大,基本控制在8%左右,俯仰力矩系数的计算结果与试验值趋势一致。总结了滑流对螺旋桨飞机宏观气动特性的影响规律,由于滑流在空间发展过程中不断与周围空气相混合,使得滑流边界逐渐"模糊",因此滑流流管在空间发展过程中的巨大畸变对滑流影响的分析工作带来了难度。针对这种现象,本文将有/无滑流的流场进行对比,通过当地动压增量来定义滑流的加速效应边界,以及通过当地气流角增量来定义滑流的洗流效应边界。该方法能较好地捕捉和解释由于滑流对飞机部件干扰而使得飞机方向安定性呈现的非线性现象,初步揭示了螺旋桨滑流复杂尾迹流动的特点,在螺旋桨飞机非定常滑流影响机理研究方面具有一定的参考价值。     

对转螺旋桨流场气动干扰数值模拟

基于结构网格动态面搭接技术,通过求解三维非定常雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)方程,对单独螺旋桨(SRP)滑流流场进行了数值模拟,结果与风洞试验数据吻合良好,在此基础上深入研究了对转螺旋桨（CRP）的非定常滑流效应及前后桨之间的气动干扰现象。计算结果表明:所采用的非定常RANS方法能够良好刻画对转螺旋桨滑流流场的发展变化特征,适用于分析前后桨气动干扰特性。前后桨桨尖涡的复杂相互作用是导致对转螺旋桨气动干扰的直接原因,后桨桨尖涡对于前桨桨尖涡具有一定耗散作用。在气动干扰影响下,对转螺旋桨气动力会产生周期性波动,波动周期与螺旋桨桨叶数相关, 6×6对转螺旋桨在1个旋转周期内产生了12次波动。气流穿过对转螺旋桨会发生两次加速,因此在相同工况下,对转螺旋桨的拉力系数和功率系数相比于单独螺旋桨分别增大约1倍,效率提升约1.5%。      

战斗机大迎角/过失速机动下的进气道气动特性

为掌握战斗机在大迎角和过失速机动飞行时进气道的稳、动态气动特性,采用基于动态嵌套网格的非定常雷诺平均Navier-Stokes （URANS）方程和大迎角风洞试验方法对某战斗机进行了研究,并通过大迎角和过失速机动飞行试验进行了验证。结果表明：大迎角稳态下进气道气动性能随迎角增大逐渐降低,天地相关性吻合良好,而计算仿真和飞行试验均捕捉了眼镜蛇机动下进气道的非定常迟滞效应。通过研究获得了战斗机在大迎角和过失速机动下的进气道气动特性,建立了过失速机动下进气道非定常非线性特性问题的研究方法。