飞机进气道锤击波载荷评估方法研究

进气道锤击波载荷是由航空发动机喘振超压引起的,其峰值压力可达到自由来流总压的2倍量级,为进气道结构设计的最大载荷。为了给新研飞机进气道设计提供最大载荷依据、降低结构质量,对增压比等影响发动机喘振超压的因素进行归纳总结,并进行了实测和评估分析,认为锤击波压比值的上限是由稳态压力畸变引起的喘振确定的,最大锤击波载荷基本上随发动机压比的增大呈线性增大;分析了锤击波载荷的特征和评估曲线,认为通过积累新研发动机地面试验数据和CFD手段可有效解决飞机设计的载荷输入,应用概率统计方法可有效降低复合材料结构的大"S"弯进气管道结构质量。     

S形进气道流场数值模拟

考虑了外流场对进气道内部气流流动状况的影响,将S形进气道的内外流场进行综合求解.采用有限容积法,求解全三维N-S方程.将数值计算结果与实验数据进行了对比,分析了机头/前机身对进气道入口气流的影响,同时也分析了进气道入口激波分布和进气道内部气流流动情况,以及出口流场的气流品质.从计算结果看该进气道损失比较大,出口截面最高的总压恢复系数为0.96;二三级调解板可以有效地引导气流,避免第一转弯处的大面积回流.     

背负式S形进气道设计及数值分析

针对无人机布局特点，设计了一种短扩压、大偏距、背负式S形进气道。设计中采用变厚度唇口技术，两曲面相贯构造斜切进口技术，并对前人提出的扩压器中心线方程和面积变化规律进行了改进。利用计算流体力学（CFD）方法分析了S形进气道的内流特性及机身对S形进气道性能的影响。此外，作为验证，进行了进气道与发动机的地面试验，数值计算与试验结果都表明，S形进气道具有较好的气动特性，有一定工程应用价值。     

S形进气道中心线方程构造及其影响的研究

为了拓展s形进气道中心线的选择范围,根据S形进气道的几何边界条件,提出一种基于多项式形式的中心线造型方法。依据不同的中心线拐点位置,采用该方法构造九条有代表性的中心线方程,并建立相应的s形进气道的几何造型。通过对不同几何造型进气道的三维N—s方程数值计算,得到s形进气道的总压恢复和DC10等性能指标,并通过分析发现S形进气道中心线拐点位置对这些性能指标的影响。结果表明：随着中心线拐点位置向后移动,总压恢复系数得到提高,但出口不均匀程度变坏。     

实用S形进气道内部流动特性研究

根据ＹａｎｇＪＹ的思想构造了一种求解湍流ｋ－ε模型方程的有限差分格式—湍流Ｕ－格式。采用此种方法以及一种完全Ｎ－Ｓ方程解算器对变截面Ｓ形弯曲进气道内部旋涡湍流运动进行了研究,通过大量型号设计与计算证明了本套方法可以正确地描述流场中的分离、二次旋涡等重要物理现象。作为一种特例,本文给出了一种Ｓ形进气道内部流动的数值模拟结果,并与圆截面Ｓ形弯管的计算结果进行了定性比较。     

合成射流方向布局对S形进气道分离控制的效应

对合成射流控制一种S形进气道边界层分离进行了数值研究.选用狭缝出口的合成射流,详细讨论了展向和流向两种布局对控制效应的影响.结果显示:流向布局相对展向布局具有抗逆压梯度强、穿透深、控制效果持久等特点,在射流动量系数为1.62×10-3,特征频率等于1的工况下,其分离区长度缩减了38.39%.流向布局对S形进气道性能的提升也更显著,出口压力系数比无控制时提高158.91%,总压恢复系数提高0.71%,总压畸变指数降低56.75%.      

S形进气道流动控制数值模拟研究

采用CFD技术,结合试飞数据,对某S形进气道进行了加涡流发生器的流动控制数值模拟研究.着重分析了三个不同位置加涡流发生器后,进气道内部二次流的发展;之后比较了不加涡流发生器及不同位置加涡流发生器时进气道出口总压恢复、畸变等情况.结果表明涡流发生器明显地影响着进气道内部二次流的发展变化,涡流发生器对进气道出口周向稳态总压畸变有较大程度改善,但是对于提高总压恢复效果不明显.     

S弯进气道旋流畸变数值模拟及特性分析

利用FLUENT软件对S弯进气道旋流畸变进行数值模拟,通过分别对不同攻角、侧滑角飞行状态下的进气道沿程及出口流场进行分析,展现了旋流畸变的产生机理和发展过程。引入旋流评价指标,对旋流畸变进行评定,并与总压畸变评价体系进行对比和分析。研究表明:该S弯进气道出口固有的对涡旋流结构不随攻角变化,但旋流强度随攻角的增大略有减弱;在侧滑状态下,该S弯进气道出口对涡旋流消失,旋流以整体涡出现且强度较大;传统的总压畸变指数无法描述旋流,引入的旋流评价指标能较为准确、直观地评定旋流畸变强度和流场结构。     

交流介质阻挡放电等离子体主动控制S形进气道流动分离的实验研究

S形进气道内的流动分离和二次流造成进气道出口压力损失和气流畸变较为严重,严重影响发动机的工作性能。为改善其流场特性,采用交流介质阻挡放电(Alternating current dielectric barrier discharge,AC-DBD)等离子体激励器主动控制进气道内的流场。在来流风速为10m/s,雷诺数Re_D为1.35×10⁵的工况下,探究了控制位置、布局形式对控制效果的作用规律,从流向和出口截面流场及压力分布出发,探究了主动控制的机理。结果表明,AC-DBD等离子体激励器能够提高壁面静压恢复系数,抑制流动分离并改善出口压力畸变。激励器控制位置在分离点附近最佳,且以诱导气流与来流平行的布局形式最优。在本实验范围内,出口静压系数提高了8.94%,出口稳态畸变指数降低了4.58%。其控制机理是DBD等离子体产生的诱导气流直接加速边界层运动,提高边界层抵抗逆压梯度的能力,从而抑制流动分离。同时,抑制二次流运动,降低压力畸变。     

大尺寸S形复合材料进气道整体制造技术

针对大尺寸S形复合材料进气道整体成型困难的问题,设计了一种金属组合模具,选用碳纤维/环氧树脂预浸料、过拉伸蜂窝及泡沫夹芯材料,采用手工铺层方式和热压罐成型工艺,制备出内、外型面均满足设计要求的进气道,产品质量可靠、制造简便、成本较低,结果验证了该方法的可行性和有效性。     

复杂湍流流动的混合RANS/LES方法研究

混合RANS/LES方法是近年来复杂湍流模拟的重要方法。简要回顾了混合RANS/LES模拟方法的发展历程,着重总结和分析了分离涡混合模型、类Menter SST混合模型以及湍流能量谱一致混合方法三类混合模型的构造方法和发展历程,对这三种方法的应用以及优缺点进行了简要评述,最后指出了混合RANS/LES方法发展应该兼顾的问题,为下一步的混合RANS/LES模拟提供了参考。     

超声速细长飞行器前置小翼展开过程的非定常特性

针对大长细比飞行器外形超声速大迎角条件下前置小翼展开过程引起的非定常问题,应用结构动网格技术和基于脱体涡模拟（DES）的非定常数值模拟技术进行了研究,获得了详细的小翼展开过程流场结构非定常变化特性,并分析了小翼展开引起的法向力、纵向压心系数等气动特性随展开角度的变化规律。研究结果表明：超声速大迎角条件下前置小翼展开过程对小翼附近区域以及尾舵区域产生了强烈的干扰影响。小翼完全展开后,压心前移4.1%,降低了飞行器静稳定性,法向力系数增加15.6%,提高了气动过载,对飞行器机动性能均产生有利影响。     

边界层厚度对腔体气动声学特性影响数值模拟

为了研究来流边界层厚度对开式腔体气动声学特性的影响,基于分离涡模拟方法,计算了来流马赫数为2.0条件下,不同来流边界层厚度与腔体深度比时,长深比为5.88的腔体流动特性,得到了该腔体声压级的频谱特性.计算结果表明:随着来流边界层厚度增加,形成的剪切层稳定性增强,失稳后上下摆动幅度减少,失稳生成的大尺度涡与超声速主流的相互作用减弱,使得大尺度涡发展到腔体后缘时所具有的平动动能和转动动能降低.大尺度涡撞击腔体后缘在腔体内形成的气动噪声的声压级降低,最大减小幅度达7.5dB.同时各阶模态的频率也发生偏移,偏移值在100Hz左右.基于新的假设重新推导了Rossiter公式,明确了经验常数的物理意义,并以此解释了频率偏移现象.      

飞机冲击载荷等效静载的确定方法研究

如何确定冲击载荷的等效静载对飞机结构的强度设计和验证具有重要意义。基于经典冲击载荷时域曲线后峰锯齿波、单自由度冲击动响应理论和位移等效原则,建立冲击载荷动态缩放系数求解公式;基于三角函数不等式关系,推导出动态缩放系数与冲击载荷作用时间、结构固有频率乘积的函数关系。建立求解冲击载荷等效静载方法的实施流程;以简化拦阻钩系统的冲击和缩比模型的水上迫降为例,对所提方法的有效性进行验证。结果表明：拦阻冲击载荷动态缩放系数的理论估计值与仿真计算值的相对误差小于4%,水上迫降等效静压与选用的设计压力相对误差为0.9%,所建立的动态缩放系数的理论计算公式精度较高,所提方法可供工程相关应用参考。     

基于DES方法的三角翼激波-涡干扰流场数值模拟

采用基于Spalart-Allmaras湍流模型的脱体涡模拟（DES）方法,数值求解Navier-Stokes方程,模拟绕尖前缘三角翼的跨音速流动,并对三角翼上翼面的复杂激波-旋涡干扰流场进行了分析。与NASA兰利研究中心的NTF风洞实验结果对比分析表明,DES方法能很好地模拟跨音速三角翼上的旋涡流动。随着攻角由中度攻角增加到大攻角,支架附近的激波越来越强,对主分离涡的干扰作用越来越大,直至出现激波干扰导致的涡破裂。激波的形状、位置及涡破裂位置均与实验结果吻合良好。     

斜向环形激波聚焦诱导直接起爆的大涡模拟

基于大涡模拟(LES)数值方法,利用基元反应模型对斜向环形激波聚焦诱爆氢气-空气可燃混合气直接起爆进行了详细的数值模拟.研究结果表明:在进气马赫数为2.5的条件下,斜向环形激波聚焦产生的高能区可以在可燃气体中实现直接起爆形成爆震波,并且燃料能够高效完全反应;而垂直环形激波则没能诱导出爆震燃烧过程.可见,斜向环形入射比垂直环形入射更加有利于燃料混合气聚焦诱导起爆成爆震燃烧.      

6种典型飞行器的RANS计算及大分离区域的DES分析

提出了一种将RANS(Reynolds averaged Navier-Stokes)与DES(detached eddy simulation)相结合计算流场的工程新算法,并用于第一代载人飞船Mercury、第二代载人飞船Gemini、人类第一枚成功到达火星上空的Fire-Ⅱ探测器、具有丰富风洞实验数据(来流Mach数从0.50变到2.86)的巡航导弹、高升阻比的Waverider(乘波体)以及具有大容积效率与高升阻比的CAV(common aero vehicle)等6种国际上著名飞行器的绕流计算.在流场计算中,采用分区技术,即首先对全流场采用RANS计算,然后对分离较大或者分离较严重的那些区域采用DES分析技术.文中所完成的6个典型算例总共63个工况的数值计算表明:仅在分离较大的区域采用DES分析技术,虽然从严格意义上讲这样的处理并非真正意义上的DES,但这样近似处理后所得到的流场数值结果(其中包括气动力和气动热)与相关实验数据较为贴近,并且流场的计算效率较全场进行DES计算时要高得多.      

DDES方法在复杂旋翼流场计算中的应用

应用延迟脱体涡模拟（DDES）方法,进行了复杂分离流动旋翼流场的数值模拟研究。为控制计算规模,更好地模拟旋翼桨叶近壁面附近区域流动分离及远场尾迹发展,采用了贴体与背景自适应直角网格嵌套的网格系统;同时为提高计算速度,采用了基于分布式存储的数据并行模式,实现了贡献单元搜索、洞切割和流场计算的并行化。计算工作包含一个共轴双旋翼悬停和单旋翼下降状态,目的是分别讨论DDES方法在旋翼表面附近空间区域是否存在大范围分离时计算结果与雷诺平均Navier-Stokes结果之间的差异。计算表明,对于下降状态,DDES方法预测出了更强的尾迹区分离流动;对于桨叶表面基本为附着流动的双旋翼中等桨距角情况,两种方法预测的流场结构相似,仅在下旋翼桨叶气动力和旋翼桨根下方空间区域的诱导速度计算结果上存在微细差异。     

基于DES的二维和三维空腔流动特性研究

空腔流动广泛存在于航空航天工程中,对其流动特性的研究具有十分重要的工程意义。采用数值方法对比模拟了二维和三维空腔流动,控制方程采用N—S方程,空间离散采用有限体积方法,对流通量计算采用Roe格式,非定常时间离散采用双时间步长方法,湍流粘性计算采用基于SA模型的DES方法。数值计算所得的三维空腔底面压强分布与实验结果一致,所得的二维和三维空腔内的流动结构与相关文献中的分析相吻合。将二维和三维的计算结果进行比较,发现空腔底部压强分布、空腔内的压强振荡、空腔内部流线图及声压级等均有所不同,得出在空腔宽度有限时,横向流动简化了流动结构．削弱了振荡幅值．但使振荡过程复杂化．其三维效应不能忽略．     

高雷诺数槽道湍流的壁面模化大涡模拟研究

选取基准壁湍流的槽道流动,研究了多种模型的壁面模化大涡模拟.模型包括经典的大涡模拟、Spalart-Allmaras、分离涡模拟和一种动态混合模型.基于摩擦速度的雷诺数范围为395~12000,采用3组粗糙网格,流向和展向维数分别同取37,49和65,法向维数保证y+(1)~1.主要研究平均速度、雷诺切应力分布、详细分析了各模型的特性差异并展示了相应的湍流结构.研究表明:在高雷诺数粗糙网格下,大涡模拟失去求解精度,分离涡模拟出现对数律不匹配,动态混合模型的计算接近直接数值模拟,其对数率区可解应力约占雷诺切应力的93%,边界层外层可解应力约占99%.这说明合适的混合模型可以在经济成本下保证计算精度,具有解决实际问题的潜力.