地铁条件下车体表面压力的变化特性分析

采用高速铁路隧道空气动力效应的研究方法,对地铁内列车的运行过程进行了模拟,分析了地铁条件下车体压力的变化规律,研究了中间风井和区间隧道通风对车体压力的影响。结果说明,当列车时速达到100 km/h时,地铁内就会出现显著的空气动力效应;对于无中间风井的区间隧道,车体压力变化规律与高速铁路类似,设置中间风井可减缓车体压力;采用多个不大于0.5倍隧道有效断面积中间风井的设置措施不仅能满足区间通风要求,也有利于降低车体压力;区间隧道通风只整体平移车体压力,不改变车体压力的幅度。     

多级轴流压气机噪声源特性分析

某型轴流式压气机高压一级转子叶片出现大幅振动,并且振动频率不是转频的整阶次,即叶片非同步振动。对叶片的激励可能来源于气动和非定常流场,就包含了声场。为了研究叶片出现非同步振动时的压气机声场,在压气机机匣内壁上对压气机噪声进行测量。通过分析得知,噪声信号特征频率的出现与叶片非同步振动同时出现,主要影响因素有压气机转速、结构调节状态等参数。     

涵道螺旋桨与孤立螺旋桨气动特性的 数值模拟对比

基于非结构动态嵌套网格方法,对涵道螺旋桨与孤立螺旋桨的气动特性进行了非定常Euler方程数值模拟对比研究和分析.将计算区域分成旋转区与静止区两个子域,生成相互重叠的嵌套网格,有效地解决了螺旋桨与涵道以及静止部分桨毂之间的相对旋转问题.计算结果与实验结果相一致,验证了计算方法的正确性.涵道入口前缘形成的负压区是产生涵道附加拉力的原因所在.对比计算结果表明:与孤立螺旋桨相比,涵道的存在改善了螺旋桨桨尖区域的绕流特性,减小了桨尖损失;相同转速情况下,涵道螺旋桨产生更大的拉力,而所需功率略小,涵道螺旋桨系统具有更高的气动效率.      

翼吊发动机短舱对增升装置气动特性影响研究

增升装置的气动效率对于全机整体性能有重要影响,而当代大多数跨音速运输类飞机均采用翼吊发动机布局。通过对有、无翼吊短舱的两个三维增升装置的数值模拟,研究了翼吊发动机短舱对于增升装置气动性能的影响。结果表明,翼吊发动机短舱会严重恶化增升装置的气动性能。流动机理分析表明,短舱挂架与机翼前缘结合处的缝翼缺口及大迎角时绕过短舱的分离气流是造成增升装置气动性能恶化的两个主要原因。     

Robust and efficient computation of turbulent flows around civil transport aircraft at flight Reynolds numbers

This work aims at providing numerical methods that enable the robust and efficient simulation of turbulent flows around civil transport aircraft configurations at flight Reynolds numbers. Robustness problems related to the multigrid treatment of advanced transport equation turbulence models have been identified preventing convergence of simulations at high or flight Reynolds numbers. Therefore the application of multigrid to the turbulence equations is omitted while the multigrid treatment of the mean flow equations stays unchanged. Moreover, a fully implicit time integration scheme – a DDADI approach – is applied to the turbulence equations. The new approach raised robustness to a sufficient level to converge viscous computations at flight Reynolds numbers. Furthermore, the convergence speed of aerodynamic coefficients for three dimensional applications has also been improved significantly.     

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。     

基于Boltzmann模型方程不同流区复杂三维绕流HPF并行计算

随着现代航空航天快速发展,是否能建立一套可有效模拟稀薄流到连续流各流域绕流问题统一算法,已成为工程应用部门和学术研究领域关心的问题。通过开展基于Boltzmann简化速度分布函数方程数值求解,发展起从稀薄流到连续流统一算法。借助区域分解并行化方法研究建立气体运动论统一算法并行方案,通过对统一算法进行HPF并行化程序设计及算法考验,拟定不同流域三维球体绕流及类"神舟"返回舱外形体绕流算例,进行HPF并行计算,并将计算结果与有关实验数据、DSMC模拟值进行定量比较、分析。研究表明,所发展的统一算法具有很好的并行独立性,基本达到了线性加速的并行效果,算法负载平衡和并行可扩展性较好,可望建立起新型的能可靠模拟不同流域三维绕流问题的HPF并行算法研究方向。     

Non-synchronous blade vibration analysis of a transonic fan

This study numerically investigates the aeromechanic behavior of a transonic fan model with a flat tip-leading-edge on the NASA rotor 67 test case. Single-passage unsteady calculations at a near stall operating point of 82% design speed show that the dominant frequencies of mass flow were not the harmonics of the rotor rotational frequency. A full-annulus fluid–structure interaction analysis was subsequently carried out to examine the unsteady flows and their interactions with blade vibrations. The results show that the modal displacement of the backward traveling seventh nodal diameter of the second torsion mode grew exponentially, which reveals that the blade vibration was non-synchronous. The vibration pattern indicates that the aerodynamic mode was resonant with the structural vibration mode. Around the rotor tip, the circumferential vortical propagation induced by interactions among the main flow, tip leakage flow, and tip clearance vortex was the source of aerodynamic excitation. To clarify the mechanism of the non-synchronous vibration, the coupling between aerodynamic disturbance and structural response, i.e., aliasing, was summarized. The frequency spectra of the fluctuating pressure show that an aerodynamic Backward Traveling Wave (BTW) was co-aliased to a structural BTW due to the propagation of the circumferential vortex. The correlation between the frequency and free convective speed of the aerodynamic disturbance determined the directions of aliasing.     

气动声学相似理论与试验研究

本文研究了气动声学的一般性相似原理,为气动声学的模型实验研究方法建立理论基础。由此得到了四个关于气动声场相似的相似准则数,导出了适合于流动分析的相似条件。对非定常流动中所产生的脉动力谱进行的相似分析,证实当气动力学完全相似时,以Strouhal数作为无量纲频率参数的脉动力谱函数也完全相似,此时,在几何相似点上测得的声谱在以St数作为频率坐标的频谱图上完全相同。风扇噪声的试验证实了气动声学的相似律。      

涡桨飞机螺旋桨气动噪声特性试验研究

随着航空公司短途航线由涡扇发动机转向涡轮螺旋桨发动机,以及机场周边噪声污染的限制越来越严格,商用螺旋桨飞机的声学特征正成为关键的设计参数。为研究螺旋桨的气动性能和声学特性,以某型涡桨飞机六叶螺旋桨为研究对象,在北京航空航天大学沙河校区D5气动声学风洞开展实验研究。实验中对螺旋桨在固定桨叶角设置和旋转速度条件下不同来流风速的组合工况进行测量,以获取不同工况下螺旋桨的天平测力数据和远场声压信号,经过快速傅里叶变换得到来流速度对螺旋桨远场噪声的影响规律。实验结果表明：在较大来流条件下离散部分噪声能激发出更高阶的谐波噪声,各阶谐波噪声幅值随着谐波数增大逐渐降低;当风速较低时宽频噪声声压级增大,这是由于在低前进比条件下,叶片处于失速状态,拉力系数处于非线性段,与叶片表面复杂流场引起的湍流噪声增加有关。通过指向性分析可知,位于桨盘上游位置的总声压级水平大于桨盘下游位置的总声压级水平,主要是因为螺旋桨桨盘前后的相对速度发生了变化,导致了声传播距离的延迟和加速现象。     

不同振动形式下的翼型失速特性

通过求解雷诺平均Navier-Stokes方程,研究了翼型在强迫振动和自然结构振动下的大迎角流场特性,尤其是失速迎角附近的流场和气动特性.研究结果表明:在接近颤振临界速度情况下结构自然振动可以引起翼型大尺度的分离,导致失速分离涡提前出现;强迫性的沉浮运动和俯仰运动在一定幅度下也可以引起失速性质的大分离,而且沉浮和俯仰振动的频率和振幅都是影响翼型大尺度分离的重要因素.     

高速铁路隧道初始压缩波一维流动模型的数值分析方法

基于隧道内空气流通截面是时间和距离的二元函数条件与一维流动理论,提出了高速列车驶入设有缓冲结构隧道端口时产生初始压缩波的数值分析方法。一维流动理论采用考虑摩擦、传热以及空气质交换等因素的一维可压缩非定常不等熵流动模型。数值分析方法采用广义黎曼变量特征线法。与国外有关未设缓冲结构、开孔型与未开孔型缓冲结构的隧道端口三种情况的现车试验结果进行了比较,表明本文所建方法正确、合理,能够模拟计算多种类型缓冲结构条件下的压缩波波动规律。     

超声速空腔流动波系演化及噪声控制研究进展

空腔结构在先进飞行器和动力装置中应用十分广泛,如飞机内埋武器舱、起落架舱、导弹光学头罩、超燃冲压发动机燃烧室、推力矢量发动机喷口等。这些空腔结构在实际应用中普遍面临严峻的气动噪声问题。研究表明,空腔噪声的产生与腔内非定常流动和复杂波系结构关系密切。对超声速空腔流致噪声已开展的研究进行综述,从而为系统地认识波系结构的演化规律、噪声产生机理和噪声控制机理提供参考。首先,介绍了闭式、过渡式和开式3种不同类型超声速空腔流动的主要特点,针对气动噪声最为严重的开式空腔流动,分析了7种典型波系结构形成、传播和相互作用等规律。然后,从空腔压力振荡反馈回路的4个关键环节出发,分析了当前广泛应用的3种压力反馈模型的异同。最后,总结梳理了超声速空腔噪声控制的5条路径,指出在第5条控制路径"干扰反馈激波的传播"研究方面存在的不足。并指出了当前研究存在的部分问题,就未来研究方向提出了建议。     

CFD技术在航空工程领域的应用、挑战与发展

计算流体力学(CFD)技术在航空工程领域发挥着重要作用。总结了CFD技术在航空工程领域中的应用,系统阐述了气动设计、气动弹性、气动噪声、数字化飞行等多学科耦合计算领域对CFD技术的需求,结合实际工程应用分析了CFD技术面临的主要挑战。总结了近年来CFD技术在流动分离、边界层转捩、高精度方法和运动网格技术等领域取得的研究成果以及在气动特性评估、流动机理分析、气动设计、气动弹性、气动噪声等工程领域中的应用。进一步展望了CFD数值模拟未来的几个关键技术以及应用前景。     

应用非均布桨叶设计方法的旋翼降噪技术研究

为降低直升机旋翼噪声水平,本文建立了一种通过改变旋翼噪声辐射方式的降噪方法.运用脉冲近似和傅立叶变换法对非均布桨叶产生的气动噪声进行研究,并采用三角调制改变旋翼桨叶的间距角,从而避免声学能量在单一通过频率上集聚,使其重新分布在一系列不同的通过频率上.文中给出了分析桨叶非均布噪声特性的方法,分别对3片、4片、5片及6片桨叶构型产生的相对声压幅值和相对声压级进行了计算和分析,并绘出了相关的频谱图.通过分析,得到一些有意义的结论.     

基于动叶出口轴向速度提升的亚声速低反动度轴流压气机气动设计原理及其验证

当动叶转角增加以进一步提升亚声速轴流压气机级负荷时,为解决其内部流动问题,提出了基于轴向速度提升的亚声速低反动度轴流压气机气动设计原理.分析了在该气动设计原理指导下,各气动参数间的相互影响,设计了一个验证级.三维黏性数值模拟结果表明:在叶尖切线速度为213m/s的前提下,实现了级压比为1.5,效率为92.5%的压气机级设计.      

后视镜罩边缘结构对流场和气动噪声的影响

采用大涡模拟(LES)的计算方法,对车外后视镜不同边缘结构引起的外部流场和镜后车身表面监测点处的气动噪声进行了数值仿真.研究表明:不同的镜罩边缘结构在较大程度上影响了流经后视镜罩的气流速度和流线方向,对后视镜后部流场和监测点处声压级产生较大影响.相较于原模型的光滑边缘结构,模型1后部流场涡团更远离车身表面,有利于降低气动噪声,某监测点1/3倍频程中心频率处声压级最大降幅接近10dB;模型2后部流场涡团产生分离,并更靠近车身表面,反而使气动噪声增大.模型1的镜罩边缘结构改进方案对车外后视镜-A柱区域的流场和气动噪声都有较好的改善.     

直背式轿车加速行驶气动阻力的计算

用CFD方法对直背式轿车加速过程中非定常外流场进行了数值模拟,计算出不同速度及加速度情况下汽车的气动阻力.结果表明某一速度和加速度情况下气动阻力主要与此刻的速度和加速度有关,其他因素对它的影响较小,并通过两次线性拟合,得出阻力与速度及加速度的计算公式,该公式可以直接计算出汽车在加速行驶时在某一速度和加速度值下的气动阻力.      

Unsteady aerodynamics and flow control for flapping wing flyers

The creation of micro air vehicles (MAVs) of the same general sizes and weight as natural fliers has spawned renewed interest in flapping wing flight. With a wingspan of approximately 15 cm and a flight speed of a few meters per second, MAVs experience the same low Reynolds number (10⁴–10⁵) flight conditions as their biological counterparts. In this flow regime, rigid fixed wings drop dramatically in aerodynamic performance while flexible flapping wings gain efficacy and are the preferred propulsion method for small natural fliers. Researchers have long realized that steady-state aerodynamics does not properly capture the physical phenomena or forces present in flapping flight at this scale. Hence, unsteady flow mechanisms must dominate this regime. Furthermore, due to the low flight speeds, any disturbance such as gusts or wind will dramatically change the aerodynamic conditions around the MAV. In response, a suitable feedback control system and actuation technology must be developed so that the wing can maintain its aerodynamic efficiency in this extremely dynamic situation; one where the unsteady separated flow field and wing structure are tightly coupled and interact nonlinearly. For instance, birds and bats control their flexible wings with muscle tissue to successfully deal with rapid changes in the flow environment. Drawing from their example, perhaps MAVs can use lightweight actuators in conjunction with adaptive feedback control to shape the wing and achieve active flow control. This article first reviews the scaling laws and unsteady flow regime constraining both biological and man-made fliers. Then a summary of vortex dominated unsteady aerodynamics follows. Next, aeroelastic coupling and its effect on lift and thrust are discussed. Afterwards, flow control strategies found in nature and devised by man to deal with separated flows are examined. Recent work is also presented in using microelectromechanical systems (MEMS) actuators and angular speed variation to achieve active flow control for MAVs. Finally, an explanation for aerodynamic gains seen in flexible versus rigid membrane wings, derived from an unsteady three-dimensional computational fluid dynamics model with an integrated distributed control algorithm, is presented.     

高超声速流动中噪声与湍流度的关系

在不可压缩流动中，湍流度对流动失稳与转捩的影响机制有很多研究成果，已发展了一些依据其大小预测流动转捩的模型应用于工程设计。但在高速可压缩流动中，湍流度很难测量，给该速域的流动转捩预测建模带来困难。近年来的研究表明，高速流场（马赫数≥3）中的噪声是影响流动转捩提前与推迟，甚至决定转捩途径的关键因素。但流场噪声与湍流度对流场的激励机制有没有内在联系，或流场噪声与湍流度理论上是否存在相互关联，迄今仍缺少理论分析结果。由于可压缩流场中噪声的测量相对容易，因此探讨流场噪声与湍流度之间的定量关系具有重要的理论意义和实用价值。讨论了Euler系统中各类双曲波特性，重点分析了流场声波中脉动压力与脉动速度的本质联系，从理论上得到了声压级与声致湍流度的关系。同时，为了对影响湍流度的因素有更全面的认识，导出了非声扰动与非声致湍流度的关系。为建立高速流动转捩预测模型和探讨天地一致性问题，奠定了一定的研究基础。