非定常超音速侧滑机翼的气动力系数及动导数的数值计算

本文根据解超音速机翼反对称问题的点源分布法概念,在机翼平面上分布非定常超音速点源,并用特征线网格法进行离散数值解。本文在一般特征线网格法基础上发展了对具有侧滑角的任意平面形状非定常超音速机翼的数值解。按本文给出的具有侧滑角的非定常运动机翼的振型可计算出机翼作沉浮、俯仰、滚转诣振时的升力、力矩系数以及动导数(包括交叉导数)等。作为本文结果的特殊情况,即侧滑角等于零的正置机翼,按本文用非定常理论数值解对典型机翼计算出的动导数与传统的按准定常理论计算动导数的解析公式进行了比较和签定。结果表明本文的方法是令人满意的。     

航天飞机在再入段的亚音速空气动力特性的一种有效算法

本文采用吸力比拟原理,结合基本解的数值计算方法,用来计算航天飞机机翼从小迎角到大迎角(a=0°～30°)的亚音速纵向气动特性;而对零升阻力和机身气动特性,则用工程估算方法计算。由于目前的航天飞机,一般为下单翼的复杂外形翼-身组合体,根据文[9]的原理,可忽略翼-身干扰对纵向气动特性的影响。 本文导得可以计及涡效应的任意平面形状边条机翼的亚音速气动特性的计算公式,亦可计算尖梢机翼的展向升力分布。公式中所需的位流系数可采用涡格面元法进行数值计算来获得,压缩性效应则通过位流系数来计及。 本文计算了多种机翼和航天飞机的气动特性。与实验数据比较表明,本方法具有方法简便、计算快速和计算结果具有设计精度的优点,是计算航天飞机亚音速气动特性的一种有效方法。可供航天飞机初步设计使用,亦可作为航天飞机气动优化设计系统中的子系统。经过适当推导,本方法可推广应用于亚音速前缘的超音速情况。     

用网格法计算任意平面形状超、亚音速机翼阻力

本文根据网格法计算出的压强分布,利用由远场法给出的机翼升致波阻和旋涡阻力公式,计算出在超、亚音速情况具有任意平面形状(在超音速情况可具有任意亚音速前缘形状)机翼的阻力,克服了用网格法计算具有亚音速前缘绕流时的困难,扩大了网格法在机翼气动力计算上的应用范围。按本文方法计算出的典型算例与解析结果比较得到了非常满意的一致。本文方法也同样适用于其它的机翼离散数值解。     

亚、超音速细长翼身组合体大迎角气动特性的计算研究

本文提出了一种适于初步设计使用、具有良好精度的亚、超音速细长翼身组合体大迎角气动特性的综合性计算方法。对大迎角情况下的涡升力,采用吸力比拟原理计算;位流升力的计算,采用基本解的数值计算方法。关于机翼翼剖面头部圆度和涡破碎对涡升力的影响,进行经验性修正。翼身干扰的贡献,通过翼身干扰系数进行计算。并按文[4]原理,将亚音速计算方法推广到亚音速前缘的超音速情况。对几种机翼与翼身组合体的计算结果表明,本文方法具有方法简便、计算快速和符合设计精度要求的优点。     

旋翼翼型俯仰沉浮运动非定常气动特性实验研究

在南航非定常风洞内研制、开发了一套两自由度电控液压动态实验台,利用该设备,完成了翼型俯仰运动、沉浮运动以及俯仰沉浮耦合运动测压实验,并积分计算了翼型动态运动过程中的升力系数.翼型俯仰运动结果表明,翼型上的压力分布和升力系数与翼型振动频率和振动幅值有很大关系,随振动频率和振动幅值的增加,升力系数迟滞包线相应增加,而这一过程与翼型上前缘涡的脱落过程有关.翼型沉浮运动研究了翼型在不同迎角、不同风速下做沉浮运动时的压力分布和升力系数,结果表明在20m/s风速下,模型做沉浮运动时只对翼型前缘的压力分布产生影响,而在10m/s风速下,沉浮运动不仅使前缘压力分布产生变化,而且影响翼型下游的压力分布,这与翼型前缘形成的分离气泡脱落有关.另外给出了翼型做俯仰沉浮耦合运动时的压力分布初步结果.     

边条机翼气动特性的一种解析计算法

本文以文[1]为基础,研究了平板锐缘边条机翼亚音速气动特性的解析估算,导出了曲线前缘边条机翼气动特性的通用计算式,并可计算尖梢机翼的展向升力分布;所需的位流常数采用涡格面元法来确定。本文就多种机翼进行了计算,与实验结果的比较表明,本方法具有计算简单快速、计算结果具有实用精度的优点,可供初步设计与性能分析时使用。     

Cessna172襟翼对俯仰操纵的影响

本文使用Delaunay三角化方法对Cessna172二维翼型生成非结构网格,采用Euler方程和格心有限体积法,数值模拟Cessna172襟翼0度和10度的流场,计算了机翼和尾翼的压力曲线,解释了襟翼对Cessna172俯仰操纵的影响,为初教机教学提供了很好的示例．     

基于非定常气动模型的翼型动态响应计算

基于附着流状态下的旋翼非定常翼型气动模型,给出了计算该状态下的翼型非定常升力、阻力和俯仰力矩的数值计算方法。该方法采用半经验指数响应公式,将响应分为环量和非环量载荷部分,利用数值离散来得到非定常气动响应。应用该方法,分别进行了法向力、弦向力和俯仰力矩等的算例计算,并与可得到的试验数据进行了对比,验证了方法的有效性。同时,还对缩减频率和马赫数对法向力和俯仰力矩的影响进行了计算和分析,得出了一些结论。     

三维薄翼跨音速积分方程及其有限元解法

本文将Nixon[1,2,3]对二维薄翼型所建立的跨音速积分方程推广到三维薄机翼情况。为了处理超临界流和有冲波情况,我们在方程中引入人工粘性项,以消除解中可能出现的不连续性。通过合理的近似处理,使积分方程的自变量仅依赖于机翼所在平面的两个座标,这就使我们在利用有限无法进行数值解时,只需在机翼平面上划分元素,避免了在流场空间中划分元素的传统作法,从而大大降低了对计算容量的要求和计算工作量,使跨音速三维机翼的气动力计算有可能在较小的计算机(例如709机)上完成。作为第一步,本文先研究对称绕流情况,它是跨音速非定常气动力计算的基础,而且对跨音速机翼设计也具有重要意义。对钝前缘薄机翼,为了避免前缘奇性所引起的在前缘附近进行数值积分的困难,我们利用有限元素法的固有优点,在前缘区嵌入局部跨音速解析解,使在元素不细分情况下仍能得到较精确的数值解。     

前缘缝翼构型平尾直升机气动特性分析

使用数值模拟方法研究了前缘缝翼翼型气动特性,并将该前缘缝翼翼型应用于直升机平尾,分析了该直升机全机气动特性,最后通过风洞试验对数值模拟结果进行验证。结果表明,前缘缝翼构型平尾能有效改善直升机的纵向静稳定性。     

地面效应下的不同翼型亚声速气动特性分析

采用数值方法研究了亚声速地面效应条件下不同翼型的气动特性,进一步以Ma=0.5来流工况为例,研究了翼型参数和飞行高度对气动特性的影响。计算结果表明在Ma为0.5、迎角为6°的地效情况下,翼型弯度减小,更容易在翼型前缘产生激波阻力;翼型下翼面后缘弯度增大使得后缘压力更高,升力系数和低头力矩相应增大;随着飞行高度的减小,地效作用加强,翼型下翼面压力增大,下翼面的升力增量大于上翼面吸力损失,机翼升力系数和升阻比增加越来越显著。     

翼面吹气对过失速非定常翼面涡的影响

在１ｍ低速风洞中，研究了边条翼在近人速非定常流动控制后的空间流态。实验采用翼面吹气控制翼面非定常流动，通过烟流显示涡轨迹和涡破碎位置，用相锁照相技术记录空间流态，结论表明，在机翼上仰过程中，翼面吹气能延迟前缘涡的破碎，在机翼下俯过程中，吹气有利于前缘涡的生成和发展。     

带气膜冷却结构的高超声速平板不同前缘形状下表面传热特性研究

当带红外成像制导系统的飞行器在稠密大气层内做高超声速飞行时,必须采取主动冷却方式防止严重气动加热造成的窗口材料热畸变以及复杂流场造成的气动光学畸变。本文根据成像窗口周围流动具有受高超声速钝头体绕流和气膜冷却结构(即背面为空腔的超声速后台阶)共同作用的特点,在 KD-01高超声速炮风洞中开展了带气膜冷却结构的高超声速平板在不同前缘形状下表面传热特性的试验研究,测量了 Ma8来流条件下喷缝下游表面传热系数,试验获得了2种前缘形状的带气膜冷却结构的高超声速平板喷缝周围瞬态流场 NPLS 图像。通过分析试验数据,得出以下结论:对于带气膜冷却结构(气膜不工作状态)的高超声速平板,模型前缘的形状对喷缝下游区域的表面热流整体分布有明显影响,在钝前缘情形下,表面热流分布接近相同前缘形状的平板边界层为层流状态时的表面热流分布;在尖前缘情形下,表面热流分布则表现出从层流边界层状态向充分发展湍流边界层状态变化的特性;喷缝下游分离和再附区表面传热特性和超声速后台阶流动类似,取决于喷缝上缘处边界层相对厚度。     

Aerodynamic and Acoustic Optimization for Multi-element Airfoils

The paper is to integrate aerodynamic and aero-acoustic optimizatiom design of high lift devices,especially for two-element airfoils with slat.Aerodynamic analysis on flow field utilizes a high-order,high-resolution spatial differential method for large eddy simulation(LES),which can guarantee accuracy and efficiency.The aeroacoustic analysis for noise level is calculated with Ffowcs Williams-Hawkings(FW-H)integration formula.Fidelity of calculation is verified by standard models.Method of streamline-based Euler simulation(MSES)is used to obtain the aerodynamic characters.Based on the confirmation of numerical methods,detailed research has been conducted for the leading edge slat on multi-element airfoils.Various slot parameter influences on noise are analyzed.The results of the slot optimization parameters can be used in multi-element airfoil design.     

任意迎角二维平板的超声速和高超声速俯仰振动导数

应用频率的摄动法,本文得到了任意迎角二维平板机翼的超声速和高超声速俯仰振动导数。该导数是由包括直到缩减频率的五阶项所组成的。数值结果表明高阶项的贡献在较低马赫数或大迎角情况下是很重要的。作为平均迎角趋于零的特殊情况,本文的数值结果与超声速线化的位流理论是一致的,在高超声速情况与活塞理论一致。     

二维翼型非定常运动的涡流场显示--2俯仰运动和沉浮/俯仰联合运动

介绍了在水洞中进行的二维机翼纯俯仰运动和沉浮/俯仰联合运动时的流动显示实验.实验结果揭示了机翼做纯俯仰运动时尾迹涡街的特性以及与Strouhal数(Ste)的关系.在Ste=0.105附近,涡街排列成一条线;大于该值,为逆Karman涡街;小于该值,为正Karman涡街.机翼做沉浮/俯仰联合运动时,尾迹中总是出现逆Karman涡街.结合数值计算结果说明,机翼做沉浮/俯仰联合运动时,推力及最大有效迎角与沉浮和俯仰运动之间的相位差有关.并讨论了前缘涡与后缘涡相互作用对推力的影响.     

尖前缘驻点热流精细化测量研究

为提高升阻比特性,现代高超声速飞行器常采用尖前缘结构,这对热防护系统提出了很大挑战。尖前缘结构由于表面曲率较大,常规的点测量和面测量试验技术均难以对驻点热流进行准确测量。针对尖前缘驻点热流测量难题,制作了专用的整体式薄膜电阻温度计,建立了驻点热流参数辨识方法,并以不同前缘半径（R=1.0、2.0和5.0 mm）的斜劈模型为研究对象,在FD-20高超声速脉冲风洞中开展了试验验证,来流马赫数分别为4、5、6和8,试验结果表明:整体式传感器稳定性好、灵敏度高、耐冲刷性强,其参数辨识方法精度高,试验获得的前缘驻点热流与理论值误差小于15%。     

基于Euler方程解摄动的超声速旋转导数计算方法

基于笛卡尔网格和采用Euler方程基本流场解,通过Riemann不变量摄动,对旋转扰动引起的物面法向速度构建摄动关系,发展了一种超声速旋转导数快速计算方法。文中给出了具体的推导过程,可以看出由此得到的超声速旋转导数,仅与定常欧拉解基本流相关。因此,一旦CFD计算得到定常欧拉解,就可一次性地快速计算出感兴趣的超声速旋转导数。为了验证该计算方法,本文选用国际动导数标准模型Basic Finner算例进行了计算,计算结果与试验数据、文献数据具有很好的一致性,展示出本文方法计算耗时少、精度高、工程实用性强等优点,且该算法基于笛卡尔网格,特别适合复杂气动外形飞行器超声速旋转导数的快速计算。     

应用后缘装置的跨声速层流翼型多岛优化设计

高雷诺数状态下,自然层流技术(Natural laminar flow,NLF)是减小机翼表面湍流摩擦阻力的有效方法。然而由于层流翼面上大范围顺压梯度的存在使得后缘处的恢复压差更大,产生更强的激波。因此在减小摩擦阻力的同时又增加了激波阻力。本文采用后缘装置(Trailing edge device,TED)来控制翼型后缘处的激波强度,基于线性稳定性理论(Linear stability theory,LST)的eN方法对流动进行转捩判断,进而应用多岛并行多目标进化算法(multi-objective evolutionary algorithm,MOEA)以获得大范围层流区域和弱化激波强度为目标对翼型进行优化设计。优化结果表明合作均衡策略耦合进化算法可以快速地捕捉到该多目标问题的Pareto阵面解,阵面上翼型的波阻力和摩擦阻力性能较初始翼型大大改善。同时,采用后缘装置控制激波强度时,无论在设计点还是偏离设计点时,优化后翼型均具有良好的升阻力特性和鲁棒性。