具有角点的高超音速轴对称钝体头部绕流问题的一种简易解法

钝体头部与后体相接时,往往要出现角点,如果头部的钝度足够大,则在轴对称绕流情况下,音速点即在此角点处。目前求解此种音速点在角点处的钝体头部绕流的直接问题,只有积分关系式法才较精确,但该法须对沿激波层积分得的近似常微分方程组进行数值解,而且所给的二点边界条件中的一点,须按另一点的边界件条用逐步逼近法确定得,整个求解过程很繁琐且费时,而且在角点隣域进行数值积分时困难很大,见文献[7,8]。 鉴于此种情况,本文提出一种简易而又能具有数值解法精确度的实用计算方法,它系以积分关系式法的一级近似常微分方程组为基础,将头部激波用多项式来逼近,利用通过激波的气体貭量守恒关系式,激波的几何关系式以及物面驻点与音速点处的己知条件,直接确定得这种有角点钝体在高超音速轴对称绕流情况下,头部脱体激波的位置,形状以及头部上的压力、速度与速度梯度的分布。在求解过程中全部采用简单的数学分析与代数运算方法,方便且省时。 本文方法适用于任意形状的头部。文中对平头钝体进行了详细计算,从该算例中可见按本文方法所计算得的激波位置系位于一,二级近似的数值解之间,而所得的压力分布则要较一、二级近似的数值解为佳而更接近于实验值。     

高超音速流绕半球圆柱钝头细长体的流动

本文提出利用高超音速流绕钝头细长旋转体轴对称流动的相似律所得的结论,可以将钝头细长体分成三个区域即钝头区域,钝头细长体相互作用区域,细长体区域,并确定得高超音速流绕半球——圆柱体的钝头区域的长度,从而提出利用爆炸波相似的二级近似理论计算圆柱(细长体)部分的压力分布时,必须将座标原点沿x轴前移一个钝头区域长度,所得结果与实验相较很符合。同时提出计算半球(钝头)部分的压力分布的统一公式,与M_∞=7.7及M_∞=20实验数据及其他理论相较结果相当满意。     

计算任意横截面机身超音速绕流的准圆截面近似法

航空上所用的实际机身,如果其横截面偏离圆形不大,本文提出准圆截面近似法,把机身的超音速绕流问题分解为绕当量旋成体的流动和非圆截面、攻角、弯度影响两个部分,给出了机身表面压强分布、法向力和轴向力分布的计算方法,计算结果具有满意的工程准确度。     

非结构网格的高超声速粘性MHD流场数值模拟

应用数值方法在非结构网格上对磁场干扰下的二维高超声速钝头体粘性绕流进行了数值模拟。控制方程为N-S方程耦合Maxwell方程的粘性MHD方程组,空间离散采用有限体积方法,对流项用AUSM格式计算,粘性项用中心格式求解,时间推进用显式5步Runge-Kutta格式,引用双曲型散度清除技术加强▽.B=0的条件。计算模型为二维钝头体,在高超声速来流条件下,分别对有、无均匀磁场干扰下的流动进行了数值模拟。计算结果表明,在均匀磁场干扰下,激波脱体距离显著增加,物体表面压力急剧下降。对比表明文中发展的计算方法可以准确地进行二维粘性MHD流场的数值模拟。     

旋转弹体大攻角非对称涡效应的分析

本文研究了旋转旋成体在超声速大攻角下的体涡非对称脱落和弹体上气动力和力矩的数值计算方法。文中采用冲击横流比拟概念,将绕旋成体的三维、定常、分离流问题转化为二维、非定常、分离流问题来求解。弹体位流模型用沿弹体轴线分布的源汇和偶极子来模拟,弹体背风区的分离涡则用横流平面中的大量离散点涡来模拟。采用经修改的 Stratford 准则来检验横流平面中边界层是否分离。典型算例结果表明,本文提出的方法能正确描述旋转弹体大攻角流动的主要特征。     

基于等离子体激励的圆柱绕流控制实验研究

为验证低雷诺数条件下,采用大气压等离子体流动控制技术进行圆柱绕流控制的有效性,设计了圆柱绕流实验系统,并开展了圆柱绕流实验研究.实验研究表明,在雷诺数为1.35×104和1.90×104的条件下,等离子体激励器产生的流动扰动,能够有效控制圆柱体绕流的流动分离,并显著改善分离流场,增涡、减涡效果明显.实验结果表明,大气压等离子体流动控制技术是钝体绕流流动特性控制的一种有效手段.     

固定翼微型飞行器展弦比对气动特性的影响

研究了弦长15 cm固定翼微型飞行器的展弦比对机翼升力面气动特性的影响。以MAV常用的翼面形状反齐莫曼为基础,再设置了4种展弦比,采用有限体积方法分别对不同展弦比模型的三维绕流进行数值模拟,并着重分析了模型上表面流场情况及翼尖绕流对上下表面流场的影响。结果表明:展弦比为0.5时上下表面压力差较小,升力不足;展弦比为2时,常用攻角范围内上翼面会出现较大的气流分离;展弦比为1时,升力面受翼尖涡影响较大;展弦比为1.5的固定翼微型飞行器既能保持大展弦比的高升力,又能较好地避免大攻角时的气流分离带来的不利影响。该研究结果对MAV设计研究具有一定的指导意义。     

大攻角流动非对称性成因与对策

讨论了大角绕流的流动非对称性成因及相应研究对策。指出流动非对称性是绕流系统在适当流动条件下表现出的一种内在属性（一种分岔行为）。这一属性本质上是无粘的，并不以粘性为先决条件，尽管粘性对其有影响。相反，粘性方面所表现出的不对称行为很可能是外部无粘绕流非对称性诱导作用的结果。从大攻角绕流表现出的特征来看，流动非对称性属绕流系统的分岔、混沌行为；对它的进一步探索除了运用流动稳定性分析和实验手段外，必须借助分岔混沌思想和方法。     

小攻角下锯齿尾缘翼型噪声控制与机理分析

受猫头鹰寂静飞行能力的启发,锯齿尾缘设计被认为是一种有效的控制湍流边界层-尾缘干涉噪声的方法。本文采用隐式大涡模拟法,详细研究了嵌入式锯齿尾缘对NACA 0012翼型绕流的近场流动和噪声特性的影响,雷诺数为9.6×10⁴,远场马赫数为0.163 1,攻角为4°,计算采用的非结构化网格具有约7 000万的自由度。在实际计算时,为促进流动快速转捩,在直尾缘和锯齿尾缘算例的翼型表面均布置了锯齿形粗糙元转捩带。研究结果表明：相比于0°攻角状态,4?攻角下的噪声辐射增强,主辐射方向发生偏转,在该方向上锯齿尾缘实现了约2.5 dB的降噪,且在小攻角(4°)下,锯齿也会诱导出有利于降噪的侧边涡对结构。针对壁面压力脉动的分析表明：锯齿主要改变了尾缘附近的时空关联特性,且压力场不能直接由现有针对速度场的Taylor或椭圆近似模型定量描述;此外,锯齿在抑制尾缘噪声的同时,对翼型气动性能造成了一定损失。     

轴对称高超音速绕流平头物体的一个解析解

根据方法,使用级数展开和附面层方法,得到了轴对称高超音速绕流平头物体的一个解析解。方法是直接的,即由给定物体形状可求出表面压力分布和激波形状。对平头物体在M_∞=5.8时所得结果和实验及其他理论结果进行了比较,发现符合得很好。本文所提供的方法也说明了对于高超音速钝体绕流级数求介是可能的。     

超空泡航行体非定常流体动力延迟效应水洞试验研究

空泡延迟效应在机动航行诱发的尾拍振荡中影响显著,是超空泡航行体的重要力学特性,在动力学建模中必须加以考虑。采用人工通气超空泡的试验方法,在西北工业大学高速水洞实验室开展了超空泡航行体连续变攻角测力试验研究,测量攻角与流体动力随时间变化历程来定量分析延迟时间特性。通过试验研究,获得了不同试验条件下变化的延迟时间;无量纲化的延迟系数与水速近似成线性关系,且随预置舵角的增大而增大;在试验采用的摆动频率中,摆动频率较大的工况,延迟系数较小。     

含灰气体平板气动加热实验研究

利用灰尘激波管入射激波后平衡区两相流开展平板传热实验。在低灰尘负荷率、来流分别为亚声速和超声速流条件下测量平板在零攻角及小攻角（α＝３°）情况沿轴向的热流分布。     

大攻角多分量强迫振动实验技术

北京大学低速风洞新研制的大攻角强迫振动实验设备可迫使模型绕其体轴做单自由度俯仰、偏航、或滚转振动,由六分量应变天平感受气动反作用力和力矩,测量仪器按相关滤波原理将它们分解为同相分量和正交分量。仪器具有很高的分辨度和精度,能测出组合形式的全部18个同相导数和18个正交导数。该设备具有很大的攻角范围和侧滑角范围,并具有足够大的振动频率和振幅范围,实验风速可从20米/秒至50米/秒。强迫振动风洞实验的全过程都在微机控制下自动、实时地完成。通过某教练机的强迫振动实验和不同方法的对比实验表明,该设备能较好地测量出组合形式的全部阻尼导数、交叉导数和交叉耦合导数。     

用 Euler 方程计算某些特殊的二维分离流动

采用非定常Ｅｕｌｅｒ方程、总体时间步长、隐式时间推进，计算了几种特殊类型钝体的二维有分离绕流。一类是光滑的圆柱体，在跨音速时计算出因激波诱导分离而周期性地脱落在尾迹上的非对称涡排。另一类是带尖角的物体，如三角形柱体，计算出从尖角处脱落在尾迹上的分离旋涡，形成卡门涡街。对这两类物体，计算的平均阻力系数，分离涡脱落的Ｓｔｒｏｕｈａｌ数以及流态都与实验接近。结果表明，对于这类绕流问题，用非定常Ｅｕｌｅｒ方程计算，具有一定工程实用意义。     

三维物体绕流数值模拟中薄层模型的应用

介绍用于近似计算绕三维尖体无粘流激波薄层的二层模型。本法以数值确定激波的位置,在计算不同结构形状物体的空气动力特性时能确定气体动力载荷的近似值。采用这种方法实际上排除了超高速理论中其他已知方法对尖体几何形状所加的约束。与通常的空气动力特性曲线相结合,此法可获得在设计和非设计飞行状态下飞行器整个系统的近似绕流流场,且可优化其空气动力结构。     

先进旋涡燃烧室冷态流动的数值模拟

为确定先进旋涡燃烧室(AVC)前后钝体的最佳结构参数,对不同钝体结构参数下燃烧室冷态流动进行了数值模拟,结果表明:当B2/B1=0.7,L/B1=0.8时,凹腔内旋涡最为稳定对称,且此时燃烧室总压损失较小。在确定的最佳钝体结构参数下,研究了来流速度对燃烧室流场的影响,结果表明:总压损失系数随着来流速度的增大而增大,总压损失变化幅度远远超过来流速度变化幅度,AVC凹腔作用在高速来流条件下依然适用。     

4米×3米低速风洞实际攻角测控系统

本文介绍了中国空气动力研究与发展中心低速所４米×３米低速风洞实际攻角测控系统的设计思想、系统构成、实际攻角的测量原理、测量方法、系统软件包及达到的主要技术指标。该系统成功地将加速度传感器用于模型实际攻角的测量，并用于尾撑大攻角控制系统，测控范围可以覆盖－３０～１１０°的攻角行程；首次实现了实际攻角的测量一体化，为大攻角试验和实时攻角测量打下了良好的基础。     

关于S形进气道中的旋流研究

本文给出了具有典型飞机进气道比例的S形管道在不同攻角下,压力分布和旋流的实验结果。为了减小大攻角下的旋流,研究了两种方法:一是通过扰流板改变管道内气流的压力分布,二是通过辅助进气门引入自由流空气,向分离流补充能量。结果表明,在低攻角下旋流很弱并呈现为典型的反向旋转对涡二次流动,而在高攻角下则为一个很强的单涡旋转流动。至于反旋流措施,扰流板的效果最好,通过变化其尺寸不仅能改变旋流方向,而且还可完全消除旋流。本文建议用一个旋流系数,SC_(60),来描述名义发动机进口处的旋流。其值对原设计模型在30°攻角时为0.188,而通过辅助进气门引入自由流空气向分离流补充能量后为0.068,当采用一个0.15倍喉道宽度的扰流板时,旋流系数变为-0.039。本研究使S形进气道中旋流的产生、发展和性质得到进一步的认识。     

载人飞船返回舱的气动热流率分布

高超声速有攻角钝头轴对称体的载人飞船返回舱的热流率计算，目前已有很多方法。迎面球冠的对流加热率可由风洞试验结果和Ｌｅｅｓ及Ｄｅｔｒａ－Ｋｅｍｐ－Ｒｉｄｄｅｄ等的驻点热流理论作较好预测。拐角圆环区是返回舱上加速流最剧和气动加热最严重的地方。试验结果表明迎风倒锥附着流表面的热流率和背风倒锥分离流表面的热流率分别比零攻角驻点的热流率的１５％和５％还低。     

载人飞船返回舱的动稳定性

载人飞船返回舱动稳定性的地面模拟试验方法有强迫振动法、有限自由振动法、自由翻滚法和模型自由飞试验法。试验结果表明，在配平攻角区阿波罗返回舱除马赫数Ｍ＜０．７以外，一般都具有俯仰正阻尼特性。双子星座返回舱在配平攻角区，当Ｍ＜２．５时存在俯仰负阻尼特性。钝头气流分离效应、后体气流再附效应、船尾近尾流效应和动态时滞效应等对静、动稳定性都有相反效应。这些效应会使返回舱的静稳定性增加，而使动稳定性降低。角振幅增大会使返回舱的平均俯仰阻尼增加，马赫数增大使俯仰阻尼降低。