飞机舱门类部件气动载荷风洞试验研究

总结了飞机舱门类部件气动载荷的多种预测方法,并对舱门类部件载荷试验技术进行了讨论。在工程实践中,发现使用部件测力风洞试验和表面测压试验两种方法给出的舱门类部件关闭状态气动载荷相差较大。经试验验证,缝隙效应导致关闭状态下舱门类部件测力方法存在较大的误差,难以准确预计气动载荷。建议采用表面测压的方法给出关闭状态下舱门类部件的气动载荷。     

叶栅式反推力装置开启过程的三维非稳态数值模拟与分析

针对涵道比为8的涡扇发动机叶栅式反推力装置,计算分析了反推力装置运动部件在不同运动控制规律下的开启过程对外涵流场、风扇背压、阻流门受力等影响。结果表明:在反推力装置开启过程总时间一定时,随着阻流门开始旋转的时间点向后推移,风扇背压的脉动强度增大,而阻流门受到的气动载荷会减小,存在折中的阻流门开始旋转时间点,即移动外罩开启1/3后阻流门开始旋转;开启反推力装置总时间变化对风扇背压脉动强度和阻流门受力的影响较小;紧急停飞状态下开启反推力装置,风扇背压脉动强度最大值达到20%,超过允许值,而阻流门所受到的最大气动载荷达到4500N,相当于正常开启反推力状态下的4倍以上。      

内埋武器舱动态流动特性及降噪控制方法研究

流动经过武器舱会产生诸如边界层分离、剪切层失稳、气动噪声等一系列复杂流动特征,进而可能对舱内设备和结构造成破坏。本文以近真实复杂内埋武器舱为研究对象,通过高精度数值仿真获取内埋武器舱动态流动特性;根据流场特性,分析武器舱内噪声产生机理,提出了前缘扰流片、导波管以及前缘吹气三种流动控制方案。通过高速风洞试验,系统分析了舱门开度、内埋武器挂载等因素对武器舱内噪声水平的影响,并且对不同扰流装置的降噪效果进行了测试分析。结果表明：内埋武器舱内流动以小尺度湍流结构为主;前舱在舱门小开度时总声压级较高,随开度增加后舱总声压级增大,舱门开到一定程度后,舱内总声压级分布基本一致。舱内挂载武器减弱流动对各壁面的拍击强度,使得舱内各壁面总声压级降低。三种控制方式均能够抬高剪切层,减弱武器舱内的能量注入,进而对武器舱内总声压级产生一定的降噪效果。在本文研究范围内,前缘扰流片的降噪效果最为显著,降噪幅值达5 dB。     

动态舱门对空腔复杂流动和噪声特性影响分析

为研究运动舱门对内埋弹舱（空腔）非定常流场和舱内噪声特性的影响,开发了应用于运动问题的动态嵌套重叠网格组装方法,采用改进的脱体涡模拟方法对亚声速流场（Ma=0.6）进行了高精度数值模拟。首先采用空腔标准模型（M219）验证所用的高精度数值格式的有效性,然后应用发展的方法对干净空腔（C201）、带静态舱门（30°、60°、90°和120°）的空腔以及运动舱门的空腔进行模拟,并分析静、动态舱门对空腔湍流流场和腔内气动噪声的影响。针对运动舱门的非稳态非定常流动问题,采用经验模态分解方法分析空腔中的湍流脉动特征和声压级。通过分析研究结果发现,与干净空腔相比,舱门小开度（30°）时,舱门会限制法向和展向的流动,从而降低腔内流场与外部流场的流动掺混和交换,腔内壁面总声压级比干净空腔低5～8 dB,但是两者变化趋势一致,且二阶Rossiter模态频率偏高;在打开角度较大（60°以后）时,舱门对腔内流动的影响主要表现在展向,此时空腔上方的剪切层涡结构运动的高度更高,舱门阻碍噪声的展向传播,使得腔内的总声压级升高（3～10 dB不等）,二阶Rossiter模态的强度增大。然而舱门开启过程中,腔内总声压级...     

基于DDES的有／无舱门腔体气动噪声仿真分析

采用延迟分离涡仿真（ DDES）的方法研究了空腔和带有舱门的腔体的气动噪声特性。仿真在自由来流M＝0．85下,长宽深比值为5：1：1的矩形开放腔体展开。空腔仿真的声压级幅值结果与试验数据相比误差在4％以内,频率位置的预测较好。 DDES方法对于气动噪声问题具有很好的仿真准确性。空腔仿真结果和带有舱门的结果对比后表明,舱门迫使剪切层气流更多的撞击后壁进入腔体内部,使腔体内部尤其是中部压强波动增大,声压级在低频部分增量显著,达到了5 dB左右。     

喷流作用下的单边膨胀后体气动载荷

高隐身无人机为提高侧向、后向隐身指标,机身和喷管-后体结构的一体化设计尤为重要,该设计在气动、结构、强度等领域带来了新的挑战,喷流作用下的气动载荷预测是其中一个关键问题。利用CFD方法结合风洞试验数据,对高隐身无人机喷管-后体结构的稳态、动态气动载荷及其影响规律进行研究,结果表明：喷流形成的复杂波系投影到后体壁面上会形成压力、吸力交替的气动载荷,该载荷分布对喷管落压比极为敏感,小幅度的落压比变化即可能导致载荷方向变化;稳态气动载荷分布也会受到来流速度、次/主流流量比等的影响。基于IDDES方法的数值计算对动态气动载荷有不错的预测精度,将流场划分为喷流主流与次流掺混区、喷流核心区、喷流与外流掺混区等几个区域,有助于从流动机理上揭示脉动压力的分布规律,且得到了试验验证。动态载荷极值区位于喷流区边界,正是气流剪切掺混最强的位置,而喷流核心区尽管稳态气动载荷强,但动态气动载荷相对较低。     

高速列车车辆连接部位气动噪声数值模拟及降噪研究

采用大涡模拟与声类比相结合的方法,对高速列车车辆连接部位不同尺寸参数时的气动噪声进行了数值模拟,并提出降噪改进方案。研究得到了高速列车以300km/h速度运行时车辆连接部位的气动噪声分布,结果表明:车辆连接部位气动噪声在很宽的频带内存在,是宽频噪声;各监测点气动噪声频谱在低频时幅值较大,随着频率的增大先增大后减小,1/3倍频程A声压级主要集中在315～1000Hz频率范围内;车辆连接部位不同尺寸参数中,气动噪声声压级幅值随着凹槽长度L和高度H的增大而有所增加;采用全风挡方案较无风挡时,有效避免气流在凹槽内剧烈扰动,气动噪声显著改善,声压级平均降幅约为9.4%,总声压级平均降幅4.27dBA;研究结果为低噪高速列车的初期研制设计提供科学依据。     

民用发动机附件风扇叶轮疲劳寿命数值分析

叶轮疲劳寿命是影响风扇寿命的关键因素,鉴于风扇叶轮低循环疲劳试验周期长、成本高,在叶轮结构前期设计时,对某型叶轮低循环疲劳寿命进行数值分析,根据仿真分析结果初步预估叶轮寿命,给后期的叶轮疲劳寿命试验提供一定参考依据。仿真主要通过对风扇流场、叶轮强度、疲劳及叶轮模态进行分析,得出风扇流场和结构气动载荷下分布云图、叶轮离心、气动、离心气动耦合载荷下应力云图及叶轮前六阶模态云图。结果表明：离心叶轮工作时受到主要载荷为高速旋转时离心载荷,气动载荷对叶轮结构的影响相对较小;在离心气动载荷耦合的情况下,叶轮在19 955 r/min工作转速下的vonMises等效应力及最大应力为21.25 MPa,远小于叶轮结构材料2A70 T6屈服强度204 MPa和疲劳强度102.6 MPa,评估出叶轮结构在整个寿命期内不会发生屈服失效、疲劳失效,能够满足60 000次低周循环疲劳寿命的要求。在静态分析基础上探讨了不同转速下叶轮的动态特性,并绘制叶轮模态特性随转速变化的Campbell图,给出共振风险点,为后续综合考虑动态、静态特性对叶轮疲劳寿命影响奠定基础。     

基于状态空间法的低马赫数翼型气动载荷计算

Leishman-Beddoes(L-B)非定常动态失速模型适用于中等马赫数(Ma>0.3),而在低马赫条件(Ma<0.3)下存在与翼型气动试验数据不符合的问题,为此首先研究了低马赫数条件下翼型的非定常动态失速气动特性,其次采用状态空间法从翼型表面气流变化的角度修正了L-B模型,最后通过与翼型气动载荷试验数据的对比表明在低马赫数条件下对L-B模型的修正是正确的,能够准确预测及分析翼型的气动载荷,且该修正模型易于耦合进直升机综合分析代码中.      

基于联合射流的翼型动态失速流动控制研究

动态失速控制对于提高翼型气动特性具有重要意义。采用联合射流方法对翼型俯仰动态失速控制进行数值模拟,完成两方面的研究:一是射流关闭时射流通道对动态失速特性的影响,二是射流开启时不同射流动量系数对动态失速控制的影响和分析。结果表明:射流关闭时,射流通道的存在对翼型上仰过程中附着流阶段的气动特性产生不利影响,使得升力系数明显下降,但是对翼型下俯过程中失速分离流阶段的气动特性影响不明显;射流开启后,动态失速特性得到极大改善,迟滞环面积显著减小,升力增加,阻力减小,且阻力和力矩的峰值显著减小,原基准翼型力矩曲线的负阻尼区域消失。     

后壁倒角对开式空腔气动噪声抑制作用研究

在高速风洞中对空腔流场气动声学特性进行了试验研究,对空腔后壁进行倒角,以降低气流在该处的撞击强度,从而达到抑制空腔流场气动噪声的目的。试验马赫数(Ma)为0.6~1.2,空腔长深比(L/D)为4.1、4.7。试验结果表明:亚跨声速范围内,随马赫数增大,开式空腔流场气动声学环境恶劣程度加剧,最大总声压级高达170dB以上,声压频谱曲线上存在多个不同模态的单调声;后壁倒角后,腔底总声压级强度明显降低,且其降低程度随马赫数增大愈趋明显,最大可降低近7dB,空腔后壁上主噪声源附近总声压级强度可降低约1dB,声压频谱曲线上的能量峰值明显减弱。     

High-aspect-ratio Aireraft Aerodynamic Load DistributionCalculation Method Based on Piezometric Tunnel Test

为根据飞机高/低速风洞测压试验数据给出飞机的机翼,机身和尾翼的气动载荷分布,供外载荷计算使用,介绍了一种基于测压风洞试验的大展弦比飞机气动载荷分布计算方法。通过将测压试验数据插值到载荷计算模型网格中,并将测压试验数据与测力试验数据相协调,再对压力分布数据进行切面/纵向积分、样条插值和线性化拟合后,对飞机活动面中立、偏襟翼、偏副翼、偏方向舵和偏升降舵状态时的机身、短舱、机翼及翼身组合体气动载荷分布进行了计算。总结了各剖面区域表面压力随迎角,侧滑角,以及飞机舵面变化的规律,验证了测压数据与测力数据进行协调的必要性。对飞机气动载荷的设计优化有重要的反馈评估作用。     

折叠舵外翼气动特性研究

采用风洞试验和CFD相结合的方法对机载导弹折叠舵外翼气动特性进行了研究,研究内容包括外翼折叠角、迎角、来流Ma数、气动滚转角等,通过研究推导建立了外翼气动载荷的经验计算公式.研究结果表明,"×"型状态下外翼载荷随外翼展开而变大,在折叠角约30°附近载荷最大.CFD计算与试验数据吻合良好,不同Ma数下气动系数差别较小,M...     

基于流固耦合的反推力装置负载特性

反推力装置负载特性是其运动机构及驱动作动器强度设计的基础,其中阻流门所受气动载荷及其应力分布计算是核心。以叶栅式反推力装置为对象，采用重叠网格方法实现阻流门和滑动整流罩的旋转以及平移运动网格划分，在STAR-CCM+软件环境下确定了流固耦合交界面的数据映射与交换关系，由此建立了反推力装置流固耦合数值分析模型。对反推力装置在飞机降落时正常打开和起飞滑跑紧急终止时应急打开两种动态过程进行仿真，结果表明：随阻流门旋转，阻流门所受气动载荷与等效应力快速增加，并在旋转角度为50°附近达到最大，且在应急终止起飞状态下打开反推力装置，阻流门承受的最大气动载荷是正常打开过程的3倍以上。     

风洞阻塞度对起落架气动噪声测量影响的数值模拟研究

为了解风洞阻塞效应对起落架气动噪声测量的影响,用基于S-A湍流模式的延迟分离涡模拟(DDES)对四轮基本起落架模型进行了数值模拟。通过不同截面积的滑移壁面计算域模拟模型安装在不同截面积风洞中的效应,并通过将底面和侧面设为远场边界条件模拟了无风洞起落架的流动条件。阻塞度从0变化到8.8%,根据所得到的非定常流场计算了时均表面压力分布和表面声压级分布。计算显示表面声压级总体上随阻塞度增大而减小;存在一个4%~5%的阻塞度阈值范围,在此范围内表面声压级发生突然变化,大于或小于该阈值范围时表面声压级受阻塞度的影响不大;对阻塞度变化最敏感的部件为前轮,而后轮最不敏感。这说明不同阻塞度下模型的气动噪声特性与平均流动特性密切相关。     

内埋式弹舱舱门气动载荷计算分析研究

采用中心有限体积法进行空间离散和四步Runge-Kutta显式推进方法进行时间推进数值求解了非定常欧拉方程;采用Delaunay方法生成内埋式弹舱舱盖打开时的非结构网格.数值模拟了内埋式轰炸机弹舱单开舱门在分别打开8°和45°时的复杂流场.通过对上述复杂流场的分析,发现作用于舱门的气动载荷具有使其趋向于关闭的特性,且有随打开角度的增大而减小的趋势.     

共轴双旋翼自转气动特性

为了研究共轴双旋翼自转状态下的气动特性,开展了共轴双旋翼自转气动特性理论和试验研究.采用叶素理论计算旋翼力及力矩特性,引入气动干扰模型及动态入流捕捉旋翼流场的变化,对共轴双旋翼自转状态下的气动特性进行了理论分析和计算.风洞吹风试验与理论模型计算对比分析表明:旋翼转速较大时的误差小于5%,验证了理论模型的有效性.获得了上/下旋翼转速及升力随着总距角、后倒角、上/下旋翼间距及风速的变化关系.对比分析了上/下旋翼的相互气动干扰强度,获得了有效的共轴双旋翼自转时旋翼拉力分配的计算方法.      

飞机螺旋桨低噪声多学科优化设计与试验验证研究

为进一步降低飞机螺旋桨气动噪声,针对飞机螺旋桨开展综合考虑气动、噪声和结构强度的低噪声多学科优化设计与试验验证。采用基于涡格法的升力面理论进行螺旋桨气动性能计算,基于Hanson频域远场噪声计算方法进行螺旋桨远场噪声评估,2种计算方法都通过与试验对比验证精度,由此组成螺旋桨气动-噪声联合算法;以桨叶沿叶高分布的弦长、安装角和侧掠为设计变量,充分考虑桨叶结构强度对设计变量的约束,以螺旋桨推力、效率不降低和远场噪声降噪最大为优化目标;优化桨叶通过了离心载荷试验、气动载荷试验、动态特性试验等强度试验;在气动声学风洞内完成了气动与声学性能验证,优化螺旋桨相比原始桨气动性能基本保持不变,优化螺旋桨在设计工况的1阶离散分量处的远场气动噪声峰值降低2.7dB,较小推力下降噪量最高可达4dB,2阶离散分量处也有明显的降噪效果。提出的方法同时满足气动、噪声和结构强度要求。     

龙卷风环境对桥上运动列车瞬态气动特性影响

为探究桥上运动列车穿越龙卷风风场时其周围瞬态流场的流动特性,通过数值方法开展了恶劣环境下的车桥耦合气动特性研究,以保障列车的运行安全.采用三维、不可压N-S方程和工程上应用广泛的k-ε湍流模型,以及滑移网格技术,对桥上运动列车沿不同横向中心间距和不同运行速度穿越龙卷风风场时,其表面压力分布及气动载荷变化情况进行了计算分析.结果表明:1)列车的表面压力系数随列车与龙卷风中心的横向间距增加而表现出减小的趋势,且背风侧的压力系数较之迎风侧更为显著;2)随列车沿纵向方向靠近风场中心,其附近的压力分布呈现由对称分布向非对称分布的变化趋势,而随列车穿越风场并远离龙卷风风场中心时,列车周围压力表现出与之靠近风场中心时反向对称的特点;3)随着列车与风场中心纵向距离的变化,其头车的气动载荷系数均表现出了双峰趋势特征,且尾峰的峰值较之头峰更为显著,并随着列车运行速度的降低,其气动载荷系数峰值随列车与风场中心横向间距的差异愈加明显.     

武器分离及舱门开启过程数值模拟研究

基于非结构重叠网格技术,发展了一套能较好模拟空腔流动和武器分离问题的数值计算方法.通过模拟典型空腔流动和WPFS模型分离轨迹,并与试验结果比较,说明本文方法可较好模拟空腔复杂流动和武器分离轨迹.采用发展的数值方法对某内埋弹舱舱门开启过程和内埋武器分离轨迹进行了数值模拟,研究了舱门运动的非定常效应对舱门气动特性的影响.研究表明:一定条件下,舱门运动产生的非定常效应对舱门气动特性影响较大,舱门和舱门控制系统设计时必须考虑;在本文给定条件下,弹舱内的内、外侧导弹均能安全分离.通过研究,为内埋弹舱的舱门设计和内埋武器分离安全评估提供了技术手段和依据.