翼型尾缘低频大功率合成射流的动态载荷特性研究--B：动态气动载荷特性分析

针对NACA0015翼型,设计了适用于风洞研究的尾缘低频大功率合成射流致动器,对翼型尾缘合成射流作用下的非定常气动特性进行了风洞实验研究。研究表明：尾缘合成射流与横流的相互作用能够有效改变作用在翼型上的气动载荷;单侧喷口喷/吸时,喷冲程气动力系数响应幅值约为吸冲程幅值的3倍;双侧喷口同时工作时,升力和力矩系数的幅值并不是单侧喷口单独工作时喷气幅值的简单叠加,而是处于单侧喷气幅值和喷吸幅值和之间;升力和力矩响应的幅值与喷流动量系数的平方根之间存在近似的线性关系;在动量系数不变时,升力和力矩系数响应的幅值会随减缩频率的增加而减小;给定合成射流器行程,升力和力矩响应幅值与合成射流频率之间近似呈线性关系。     

低速风洞阵风发生器实验研究与分析

阵风发生器是阵风响应风洞试验的关键设备。针对叶片式阵风发生器的运行特点,通过简化的定常涡升理论,推导出阵风发生器下游流场Y向风速的计算公式。以0.55 m×0.4 m低速风洞（声学引导风洞）为实验平台,系统地研究了阵风发生器的设计参数（叶片弦长、数目、间距）和运行参数（叶片摆幅和摆动频率、来流速度）对阵风流场风速极值的影响。研究表明:推导的简化公式能够解释阵风发生器各设计和运行参数变化后,其下游流场Y向风速的变化机制,可在阵风发生器设计时对其产生的阵风流场进行简单预估;从增大阵风发生器下游流场Y向速度极值的角度出发,增加叶片数目比增大叶片弦长更能增大Y向速度;在叶片失速前,增大叶片摆幅比增大叶片摆动频率更能增大Y向速度;采用多组叶片的阵风发生器,叶片间距不能太小,否则会导致等效升力系数下降,当叶片间距为1.2倍弦长时,能够获得最大的Y向速度极值。本文研究工作可为其他风洞的阵风发生器设计提供参考。     

翼型加装格尼襟翼的低雷诺数气动特性实验研究

为了研究低雷诺数下格尼襟翼对翼型气动特性的影响,通过风洞试验研究了Eppler387翼型加装0.5%~5.0%弦长高度格尼襟翼后的气动特性变化,试验雷诺数1.49×105~2.31×105.试验结果表明:低雷诺数下Eppler387翼型加装格尼襟翼后,升力系数和力矩系数明显增大,襟翼高度大于2%弦长时阻力系数显著增大.格尼襟翼在高升力系数下能够起到增大升阻比的作用,适用于微小型飞行器工作在大载荷状态,而0.5%弦长高度的襟翼还能够兼顾中小升力系数下的气动效率,同样适合于微小型飞行器在巡航状态使用.与原翼型相比,加装襟翼后最大升阻比对应的迎角提前,随襟翼高度的增加,翼型升阻比曲线峰值变得不再突出.     

低雷诺数下翼型表面局部振动控制研究

数值模拟研究了Re=4×10⁴时小迎角下表面局部振动激励对SD8020翼型气动特性的影响,从时均化和非定常流动两个方面分析了频率和幅值两个振动激励参数对于翼型分离和转捩特性的作用。结果表明,迎角2°和3°时局部振动激励能够有效对流场施加影响,促进层流分离泡结构的转变,改善翼型的气动性能。同时研究发现,振动频率在不同迎角下对翼型气动特性和流场结构的影响规律类似,频率f=32 Hz时气动性能提升最明显;而随着振动幅值的增加,层流分离泡长度减小且整体向前缘移动。进一步非定常分析表明,迎角2°和3°时流场在同一振动激励参数下表现出相似的非定常涡演化过程,弦向位置的压力脉动频率与振动激励频率一致,此时流场的非定常流动特征由振动激励主导。     

T型尾翼风洞颤振实验保护装置绕流特性分析

采用SST两方程湍流模型,通过求解非定常Navier-Stokes (N-S)方程,对T型尾翼风洞实验流场进行了模拟,分析了保护装置对T型尾翼风洞实验流场的影响,研究了保护装置几何外形和保护装置基座后移距离对流场影响.通过对平尾气动力的分析以及对非定常流场的对比,可以得出:采用NACA系列翼型对基座进行气动整流后,基座两侧局部超声速区显著减小,局部激波减弱甚至消失,流场品质得到改善.且采用NACA0010翼型对基座修形后的结果最理想.随着保护装置基座后移距离的增加,平尾气动力均方根值和波动值先是急剧减小,达到0.85倍平均气动弦长后开始有所增大,在2.45~4.05倍平均气动弦长范围基本不再变化,稳定到单独T型尾翼模型相应系数1倍左右.此结论对T型尾翼风洞颤振实验保护装置设计具有一定的指导意义.     

高速风洞摆动叶片式阵风发生器非定常流场数值模拟与试验验证

为降低2.4 m大型连续式跨声速风洞阵风发生器的研发风险，以中国航空工业空气动力研究院0.6 m连续式跨声速风洞为依托，设计加工了一套摆动叶片式阵风发生器模型。以此为研究对象，采用自研ENSMB流场计算软件进行了非定常流场数值模拟并进行了试验验证，分析了摆动叶片式阵风发生器下游阵风速度场形成机理及分布特性，重点开展了叶片摆动频率和最大摆动幅值等参数对叶片下游阵风速度幅值影响规律研究。结果表明:计算结果与试验结果吻合较好，叶片下游的阵风速度场是由叶片尾涡引起的，且随时间呈周期性正弦规律变化，阵风速度幅值沿叶片展向分布不均，存在较大波动；阵风速度幅值先随叶片最大摆动幅值的增大而增大，在叶片最大摆动幅值为10°时达到最大，之后无明显变化，这可能是由于摆动幅度增大后叶片失速所致；叶片摆动频率的变化仅影响叶片下游阵风速度频率，对阵风速度幅值的影响不明显。     

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。     

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。     

阵风发生装置流场测量与分析

以小型阵风发生装置为研究对象,采用二维热线风速仪,测量了不同工况下的阵风装置流场参数,给出了二维热线仪测量方案和在线角度修正方法,以及阵风幅值和波形稳定性计算方法。结果表明:采用风洞在线角度修正,可以提高二维热线的犢向测量精度和测试效率;采用波形相位分析方法,可以满足阵风发生器产生的周期性波形的幅值和流场脉动量分析;阵风幅值与4~15Hz 的叶栅摆动频率、8°~30°的叶栅摆动角度、50~100mm 的叶栅弦长成正比关系;阵风波形的不稳定性(等相位速度脉动量)与叶栅摆动角度、来流速度有一定的线性关系,在本试验范围内随叶栅摆动角度、来流速度的增加而增加,同时,适当的叶栅摆动频率可以降低叶栅的波形不稳定性。研究结论对阵风发生装置研制及其流场测量具有一定的参考意义。     

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.     

旋翼翼型定常-非定常特性综合优化设计新方法

旋翼翼型对直升机旋翼及全机气动特性有至关重要的影响。结合直升机飞行特性及旋翼工作气动环境,本文提出了一种新的旋翼翼型设计理念,即定常优化设计同非定常设计相结合的方法来开展直升机旋翼专用翼型的优化设计。首先,建立旋翼翼型非定常气动特性的高精度CFD求解方法,以获得旋翼翼型在相应状态下的升力、阻力和力矩等气动参数。其次,针对旋翼翼型优化状态的特点,对于翼型静态优化及动态失速优化分别采用遗传算法和序列二次规划算法。在上述方法建立基础上,首先针对定常状态下的原始翼型(SC1095)进行优化设计,获得一个满足设计要求的静态优化翼型,进一步着重对该翼型在非定常状态下进行优化设计,成功地得到一种新翼型,并具有非常规外观。结果表明,在设计状态下,新翼型在保持良好定常气动特性的同时,明显减弱了动态失速状态下的分离涡,从而显著改善了翼型的动态失速特性。     

基于尾迹法的翼型跨声速实验阻力测量研究

在风洞实验中采用尾迹积分法测量翼型阻力时,尾耙的形状、高度和安装位置均对翼型阻力存在一定的影响。在西北工业大学NF-6增压连续式跨声速翼型风洞中,针对同一翼型（OA309翼型）,在不同马赫数下,进行了2种尾耙高度、2个尾耙安装位置的实验。对比分析了同一尾耙高度、不同安装位置以及同一安装位置、不同尾耙高度的阻力实验数据,获得了不同实验条件下适用于NF-6风洞阻力测量的尾耙高度及安装位置的组合,为跨声速翼型风洞阻力测量提供了参考。     

Highly-Efficient Aerodynamic Optimal Design of Rotor Airfoil Using Viscous Adjoint Method

In order to overcome the efficiency problem of the conventional gradient-based optimal design method,a highly-efficient viscous adjoint-based RANS equations method is applied to the aerodynamic optimal design of hovering rotor airfoil.The C-shaped body-fitted mesh is firstly automatically generated around the airfoil by solving the Poisson equations,and the Navier-Stokes(N-S)equations combined with Spalart-Allmaras(S-A)one-equation turbulence model are used as the governing equations to acquire the reliable flowfield variables.Then,according to multi-constrained characteristics of the optimization of high lift/drag ratio for hovering rotor airfoil,its corresponding adjoint equations,boundary conditions and gradient expressions are newly derived.On these bases,two representative rotor airfoils,NACA0012 airfoil and SC1095 airfoil,are selected as numerical examples to optimize their synthesized aerodynamic characteristics about lift/drag ratio in hover,and better aerodynamic performance of optimal airfoils are obtained compared with the baseline.Furthermore,the new designed rotor with the optimized rotor airfoil has better hover aerodynamic characteristics compared with the baseline rotor.In contrast to the baseline airfoils optimized by the finite difference method,it is demonstrated that the adjoint optimal algorithm itself is practical and highly-efficient for the aerodynamic optimization of hover rotor airfoil.     

翼型曲面的压电振动除冰方法研究

以缩比后的翼型前缘曲面为研究对象,对压电振动除冰的方法进行了理论和实验研究。针对翼型曲面的特殊性,以有限元模型导出的翼型截面离散点为基础,设计了针对翼型曲面和不同压电元件尺寸下的压电元件可贴区域的求解算法,并通过五点共圆法和四点共圆法的理论思想得出翼型曲面各点切法向矢量的求解算法。针对翼型曲面研究了压电元件的布局规律。结果表明,翼型曲面结构下,压电元件的激励效果随着间距的增大而减弱,压电元件布置在振型波峰位置附近有最佳的激励效果。在粘贴接触面积一定的前提下,激励效果随着相对贴片数量的增加而减弱,而压电元件的贴片集中度越高,激励效果越好。实验得到了较好的除冰效果,验证了布局方式的可行性,同时除冰功率最大为69.77W·m-2,低于电热除冰系统所需功耗。     

一种新型三维仿生扑翼机构设计与分析

以昆虫翅膀运动机理为基础,提出了一种复合3种运动的仿生扑翼新机构。由于能使翼尖按8字形或香蕉形运动及机翼扭转,同时可保证两翼的运动对称,使扑翼运动更符合昆虫运动形态。为了实现生物运动轨迹,建立了机构参数的优化模型,并据此设计了扑翼微型飞行器样机,其扑动规律能更逼真地模拟昆虫翼的扑动形态,为新型微型飞行器的设计提供样机。     

刷毛翼型尾缘噪声控制实验研究

利用具有全消声环境的低速开口风洞研究了采用翼型尾缘刷毛来控制翼型噪声的方法,研究了不同迎角情况下不同长度和间距刷毛对翼型远声场气动噪声的影响以及翼型表面压力的影响,并把该方法与锯齿尾缘降噪方法对比,研究了不同工况下两种降噪方案对降噪效果的影响。实验结果表明,翼型尾缘附加刷毛是一种可行的降噪方案,尤其对中低频段具有比较明显的降低效果;降噪效果与刷毛的间距和长度有关;尾缘刷毛与锯齿尾缘相比具有更优的降噪效果。附加刷毛对翼型壁面动态压力载荷的影响较小。     

合成射流控制翼型分离的流动显示与PIV测量

合成射流是一种新型的流动控制技术,近年来引起广泛关注.本文首先利用热线风速仪测量了基于声激励的合成射流流动特性,确定了最佳输入信号频率;采用流动显示和PIV测试技术,研究了合成射流对二维翼型分离流动的控制效果.研究结果表明,合成射流可以有效地抑制二维翼型在大迎角下的分离流动;PIV测试结果进一步表明,合成射流开启后使翼型上表面分离区域减小,分离点后移.应用合成射流控制翼型流动分离,可以大大改善翼型在大迎角下的气动特性.     

以风轮气动性能为目标的风力机翼型优化设计

提出了一种优化风力机翼型气动特性的设计方法。在现有风力机翼型的基础上,通过改变其最大厚度位置至后缘部分的外形进行优化计算。采用N-S方程计算翼型的流场及气动特性,以提高风力机切向力同时减小其法向力为目的,用二维线性插值的方法进行多目标优化。以DU 93W 210翼型为例,针对风力机翼型气动性能本身的矛盾性,根据实际需求提出几种方案加以优化。结果表明,在不同的性能需求下,本文所提出的设计方法能取得较好的效果。     

振荡翼型动态失速风洞试验研究

本文利用测力法对NACA0012翼型在振荡条件下的动态失速进行了风洞试验研究,阐述了测力法对动态失速试验的各主要环节的特殊要求和解决途径。试验结果表明,测力法与国外传统的测压法试验结果比较,吻合良好。因而为今后的振荡翼型气动特性的风洞试验研究开创了一条新的途径。     

基于CFD方法的主动襟翼控制旋翼翼型涡特性研究

基于计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)技术,建立了一个适用于旋翼二维主动襟翼控制(Active flap control,AFC)数值模拟的方法。在满足对翼型参数化分析的前提下,使用Euler方程求解以提高计算速度,并采用嵌套网格方法对AFC旋翼后缘襟翼进行运动控制。应用所建立的方法,首先进行了算例验证计算,然后着重对AFC旋翼翼型进行了数值模拟。在此基础上,进一步开展了AFC旋翼翼型主要参数对后缘涡影响的计算分析。结果表明:提高桨尖马赫数、增加后缘小翼摆动频率能加快涡产生速度;而提高桨尖马赫数、增大后缘小翼摆动幅度和后缘小翼长度能增大涡的强度;但增大后缘小翼与主桨叶缝隙间距仅在一定范围内能够增加涡强度。