雷诺数变化对翼型边界层发展及失速特性的影响

翼型失速及其边界层发展是飞行器设计中的基础科学问题,而雷诺数变化对其影响很大。针对后缘失速翼型,采用Menter k-ω SST模型及耦合扰动放大因子输运方程的转捩模型,进行雷诺数变化对层流-湍流转捩边界层特性和失速特性的影响分析。结果表明:雷诺数增大时,对于转捩边界层,当地涡量雷诺数增大,转捩前移且分离泡减小,流动能量耗散减小,翼型整体表面剪切效应增强,动能更充沛,流动自持能力增强,压力分布可以维持较长距离的梯度抵抗分离能力增强;因此雷诺数增大使翼型失速迎角提高、升力系数增加。     

高超声速边界层转捩机理及应用的若干进展回顾

高超声速边界层转捩对飞行器的热传递、表面摩阻和流动分离等有重要影响,尤其是再入飞行器和吸气式巡航飞行器。然而,人们对边界层转捩机理中的很多问题认识还不清楚,或存在争议。本文从扰动波演化的角度回顾了高超声速边界层感受性、线性稳定性和非线性作用的国内若干研究进展,并以基于谐波共振的人工转捩技术为例示范了这些机理认识在转捩控制上的应用。扰动的产生和发展是认识边界层转捩机理的核心。通过研究扰动波来认识边界层转捩机理,开展应用创新研究对提升飞行器性能具有重要意义。     

有关近空间高超声速飞行器边界层转捩和湍流的两个问题

和一般的飞行器一样,在近空间飞行器的研制中,其边界层的转捩和湍流也是需要考虑的两个重要问题。但即使是对一般的飞行器,"转捩"和"湍流"也还是两个历经百年而仍未很好解决的问题,而对近空间飞行器来说,空气动力学本身就还存在若干新的需要研究解决的基础问题,边界层的转捩和湍流就更是没有很好解决的问题。本文讨论了两个问题:1)为增强对高超声速飞行器边界层转捩预测的能力,需要开展哪些方面的研究工作及其困难;2)是否有可能当飞行器飞行高度足够大时,其边界层就不会再有湍流问题?     

Sajben跨声速扩压器分离流动中湍流模式数值研究

为研究湍流模式对激波/湍流边界层干扰内流流动的影响,提高数值计算准确度,使用SA,SST k-ω,非线性EASM k-ω,Gao-Yong四个湍流模式对Sajben扩压器内激波/湍流边界层干扰流动进行了数值计算。对流项采用Roe格式离散,扩散项采用二阶中心格式离散,离散后的控制方程用多步Runge-Kutta显示时间推进法求解。文中展示了四个湍流模式计算得到的壁面压力、速度剖面、摩阻系数等分布。计算值与实验值符合很好,四个湍流模式总体上能够较好地模拟扩压器内激波/湍流边界层干扰复杂分离流动。Gao-Yong湍流模式对分离区内的压力、速度型的模拟更加准确,而非线性EASM k-ω模式对分离再附点位置计算最理想。     

用热线测量近壁区的流速分布

对近壁流动或称粘性次层流动的研究有着十分重要的意义，因为许多重大难题如：湍流边界层的结构、固体表面与流体之间的传质传热，人工减阻的机理等问题均与其密切相关。本文着重叙述用热线风速测量极近固壁区的流速分布及存在的问题，并进行讨论。     

在直机翼与平板连接处测定分离区内外的低、亚音速湍流边界层特性

本文介绍了在低速和亚音速来流情况下,对一竖立着机翼的平板,在其连接处的分离区内外所作的三维湍流边界层测量。低速实验测出沿二条不同站位线共十个测量站位上的三个平均速度分量分布和六个湍流应力分量分布。亚音速情况下,对分离区内外的二个站位作了同样测量。测量结果表明,气流的分离导致产生一个马蹄形旋涡,它是影响分离区内外三维湍流边界层特性的重要因素。文中还讨论了实验数据的处理方法,分析了有压力梯度和流线曲率影响的实验结果。     

后向台阶湍流边界层分离、再附及发展

应用激光测速仪对后向台阶湍流边界层分离、再附及发展进行了测量,得到时均流速、流向湍流度、平坦系数和偏斜系数等沿程分布。依据时均流速分布特性,得到分离区边界及再附点位置ｘ＿ｒ＝５．２ｈ＿ｓ（ｈ＿ｓ为台阶高度）,再附后湍流边界层恢复速度型相似的位置ｘ＿Ｔ＝１３．５ｈ＿ｓ。在详细分析湍流边界层区域时均及紊动特性的基础上,与光滑平板湍流边界层进行了比较。结果表明,除流速分布对数公式中积分常数较大外,无其它差别。此外,湍流边界层区存在尾流律,尾流参数π＝０．２９。     

翼型动态失速的数值研究

用不可压缩流动的求解算法，结合WilcoxDC提出的k－ω模式和k－ωSST湍流模式，对翼型的动态失速进行了数值模拟。通过对典型的振荡翼型轻失速和深失速算例的计算结果分析可以看出：（1）绕动态失速翼型的流场结构十分复杂，轻失速和深失速在流动特性上有很大区别。计算结果显示：轻失速主要是由于后缘分离引起，分离涡的影响范围主要是在后缘附近。而深失速则首先形成很大的前缘分离涡，该分离涡在翼型表面上运动，并诱发出二次分离涡，引起翼型升、阻力系数的显著变化。（2）对于动态失速的翼型绕流，k－ωSST湍流模式是较为有效的，计算出的气动力系数迟带曲线变化趋势与实验结果符合得比较好。     

进气道中激波-边界层干扰特性研究

针对高超进气道中激波/边界层干扰等现象,选取了24°压缩拐角及二维高超进气道DLR-GK01等算例,比较研究了混合网格并行数值模拟软件中SA、SST、TNT三种湍流模型对激波/边界层干扰等现象的模拟能力,主要考察了不同湍流模型对流场结构、壁面压强以及壁面摩阻的影响。结果表明:三种湍流模型在模拟大分离流场时存在不同的流动分离特性,TNT湍流模型较SST和SA湍流模型模拟的分离起始位置、分离区大小及边界层厚度与实验吻合度最好。     

超燃进气道激波/湍流边界层干扰

针对超燃进气道湍流边界层/激波干扰引起的分离问题,采用基于5阶WENO数值格式的大涡模拟(LES)方法开展流场湍流非定常预测,旨在分析进气道湍流化技术实现进气道起动的可行性。研究表明,平板激波/湍流边界层干扰(STBLI)问题,LES方法能够清晰、可靠预测反射、分离激波形成过程及激波与充分发展湍流边界层的相互干扰,定量结果与试验一致;进气道研究方面,层流状态下,激波干扰产生强分离,导致进气道堵塞,而采用湍流化控制后试验和计算均表明流场分离明显减小,流场稳定且无明显堵塞现象,进气道可以起动,总压恢复系数达到要求,该结果表明,利用强湍流化减弱分离,实现进气道起动思想是可行的。      

跨声轴流压气机激波/泄漏涡/边界层分离相互作用的影响

对跨声速转子Rotor37进行三维定常数值模拟,将设计间隙与零间隙进行对比研究,分析激波、边界层分离、间隙泄漏涡相互作用影响.数值计算显示:激波、泄漏涡、边界层分离相互影响,加速了失速的发生;减小间隙可以起到扩稳的作用.根据边界层分离、间隙泄漏涡在叶栅高度上的影响范围,提出利用抽吸技术进行被动控制改善流道流动状况时抽吸点的设置位置.      

电磁力控制翼型失速的实验研究

将条状电极和磁极交错布置的电磁场激活板置于弱电解质溶液中,在流体边界层上产生具有明显分布特征的电磁力（Lorentz力）,利用电磁力可以改变流体边界层的结构,控制边界层的流动脱落与分离,可以增加翼型升力,减少其阻力,实现对翼型失速的控制。利用电磁力控制流体边界层的方法属流体主动控制方法之一。本文首先基于电磁场和流体的基本方程,对置于弱电解质中的不同极板宽度的电磁激活板周围的电磁场及产生的Lorentz力进行了数值模拟;其次,通过实验来验证此方法的有效性。将包覆有电磁激活板的翼型置于弱电解质溶液中,利用基于TMS320F2812（DSP芯片）组建的翼型失速实验控制系统来灵活改变翼型的迎角和转速,测量升力和阻力的变化;实验结果表明,正向电磁力能够有效地抑制和延缓翼型失速现象的发生。     

应用GAO-YONG湍流模式数值模拟三维激波/湍流边界层干扰

应用GAO-YONG可压缩湍流模式数值模拟了三维激波/湍流边界层干扰算例之一——单鳍流动.攻角20°,来流马赫数2.93,雷诺数9.8×105.对流项和扩散项分别采用Roe格式和二阶中心差分格式计算.Runge-Kutta显示时间推进方法求解了半离散的控制方程.包括壁面压力分布,边界层内流动偏移角等在内的计算值与试验数据进行了比较.准确地预测出了三维激波/湍流边界层干扰流场的主要流动特性——λ波结构,主分离涡核,膨胀区,滑移线等.计算与Alvi等提出的单鳍流动的理论模型符合很好,得到了平板表面压力以及分离线、再附线等在单鳍流动中所独有的半圆锥特性.      

直升机动态失速研究

本文简要介绍了旋翼和翼型的动态失速特性、动态失速主动和被动控制、旋翼综合法预测使用的一些动态失速模拟方法.UH-60A直升机飞行试验11029飞行是一个典型的旋翼动态失速实例,表演出旋翼后行桨叶上出现高攻角引起的动态失速,而前行桨叶上则出现因为激波诱导前缘分离引起的动态失速.翼型的动态失速特性方面介绍了典型的动态失速迟滞回线(攻角正弦变化和锯齿变化)、缩减频率和雷诺数对翼型动态失速特性的影响等.动态失速主动控制介绍可动前缘翼型的情况,被动控制则是使用前缘涡发生器的情况.     

高超声速湍流二维压缩拐角压力和热流分布的工程计算方法

1.引言 机动弹头控制翼上的压力和热流分布是工程设计者十分关心的问题。由控制翼引起的激波将和粘性边界层发生干扰,特别是当控制翼折角大于同样来流条件下的起始分离角时,边界层将在翼前分离,并在翼面上再附,从而使翼上及附近的流动变得十分复杂。对层流二维分离流动,数值计算给出了符合实验的结果。对二维湍流分离流的     

MHD控制激波诱导湍流边界层分离的机理分析

为了研究磁流体动力学(Magnetohydrodynamics:MHD)加速边界层对激波-湍流边界层相互作用的影响,用高阶有限差分法求解了小磁雷诺数近似的MHD湍流方程。其中,无粘通量采用WENN格式离散、粘性通量采用Roe平均中心差分离散,时间采用半隐式推进,并采取追赶法求解。计算给出了湍流、电场、磁场和电导率等参数对边界层分离的影响,数值结果显示:在同样的逆压梯度下,湍流边界层分离能更快地趋于稳态流场,且分离区比层流小;通过施加洛仑兹力加速,边界层速度型面变得更加饱满、位移厚度减小、分离点和再附点向激波与固壁的交点靠近,分离区尺寸减小甚至最终被消除。     

计及边界层汇流效应的多段翼型失速特性计算

 本文给出计及边界层汇流效应的多段翼型失速特性的解法。用高阶奇点分布面元法（Panel Method）求位流解,然后进行各翼段粘性尾迹形状迭代,并解出正常边界层和汇流边界层特性。当翼段上有后缘分离时,还要确定分离尾迹的形状,用位移厚度当量源（汇）模拟粘性效应。进行粘/位流迭代直至收敛。上述方法在超过多段翼型失速迎角时仍然有效。计算结果与实验数据比较,符合良好。     

低雷诺数下机翼气动特性研究及控制

高空长航时无人飞行器(HALE UAV)由于飞行环境空气稀薄、雷诺数低导致其气动性能恶化,如何通过流动控制改善机翼低雷诺数气动性能受到越来越多的关注。在低速风洞中通过测力、测压和边界层测试等试验技术开展了NACA 633-421直机翼模型气动特性试验和流动控制研究。天平测力结果表明:随雷诺数降低(Re<1.4×10⁵)机翼气动特性迅速恶化;最大升力系数损失严重,失速迎角急剧降低;分析翼面压力分布结果显示,机翼表面产生层流分离泡(LSB),其长度变化、位置前移和最终发生破裂的发展过程是导致机翼低雷诺数气动性能恶化的主要原因。采用合成微射流(Micro-SJ)对翼面层流分离泡进行流动控制,失速迎角推迟了11°,机翼最大升力系数由0.59提升至1.10,最大升阻比增加了13.6%。合成微射流控制具有选频特性,驱动频率f=200~400 Hz的合成微射流控制效果最佳,更易促进分离剪切层提前转捩,形成湍流再附,使得层流分离泡长度缩短。     

平板-控制翼缝隙热流分布的激波风洞实验

1.引言 高超声速机动飞行器(如航天飞机、机动导弹等)的气动控制翼,为了转动灵活,在弹体和控制翼之间总有一定宽度的缝隙。出于翼前物面压力一般总是大于翼背风面的压力,因而形成了缝隙内流。这样,外物面边界层内的热气体流入缝隙内,产生了缝隙流气动加热及缝隙的热防护等问题。当翼转角足够大时,还会引起翼前物面边界层的分离再附,这对缝内流动有很大影响;而缝隙流反过来也会影响分离再附区的流动性质和整个弹体的气动力特性。控制翼引起的激波与湍流边界层相互干扰,本来就是很复杂的     

翼型结冰状态复杂分离流动数值模拟综述

结冰触发的复杂分离流动将导致翼型气动性能特别是失速特性全面恶化。结冰状态气动特性的准确预测和流动机理的深入剖析依赖于分离流场结构的精确求解。随着计算流体力学特别是湍流模拟方法的不断完善，数值模拟能够更为清晰和完备地反映非定常分离流场的细节特征及物理本质、提供更加翔实和丰富的气动力数据。从雷诺平均（RANS）、大涡模拟（LES）和RANS/LES这3类典型湍流模拟方法的应用层面出发，综合评述了近年来数值模拟研究在翼型结冰状态失速特性预测与分离特征描述等方面取得的主要进展，并从高精度冰形构造、新型湍流模拟方法、深层次非定常特性、实时耦合分析等方面对现阶段研究发展的相关趋势进行总结和展望。