翼身组合体摇滚特性高速试验研究

简要介绍了翼身组合体高速风洞自由摇滚实验技术的实验装置、实验方法、数据采集等。开展了翼身组合体大迎角下的摇滚特性研究,给出了典型的结果,研究结果表明随着模型迎角的增加,翼身组合体呈现不同的滚转运动形态,包括静态稳定、准极限环摇滚等。所研究的参数范围内后掠角对摇滚有较大影响,随着模型迎角的增加摇滚振幅呈现抛物线,马赫数的增加对最大摇滚振幅起抑制作用。     

前体涡诱导机翼摇滚扰动控制高速风洞试验研究

通过在临界雷诺数范围内的翼身组合体自由摇滚试验,开展了前体涡扰动对机翼摇滚的流动控制研究。实验结果表明,通过对前体涡的控制可以有效消除翼身组合体摇滚的发生,添加头尖扰动的位置对控制效果具有明显影响,扰动在正侧向控制效果最佳,这种摇滚控制方式在较宽的迎角范围及马赫数范围内均有效。对前体涡诱导机翼摇滚的扰动控制机理做了简要分析。     

带边条翼的翼身组合体摇滚运动试验

针对大迎角下非指令运动问题,通过自由摇滚、测力测压和粒子图像测速(PIV)等风洞试验,研究了带边条翼的翼身组合体的摇滚运动特性,得到了摇滚运动的俯仰角分区特性,揭示了摇滚运动的主控流动,讨论了形成摇滚运动的触发、偏离和维持机制。结果表明：带边条翼的翼身组合体在大迎角下会出现机翼摇滚运动;摇滚运动按照俯仰角可分为3个区域;固定点运动一区(俯仰角5°～35°),极限环摇滚区(俯仰角37.5°～50°),固定点运动二区(俯仰角55°～70°);极限环摇滚区又可分为机身非对称涡不主控区(俯仰角37.5°～45°)和部分主控区(俯仰角47.5°～50°);分析俯仰角为40°和50°的摇滚运动的流动机理发现,边条涡或融合边条涡尾流在零滚转角和非零滚转角下的演化规律分别构成了摇滚运动的触发和偏离机制,其在摇滚运动中的迟滞特性构成了摇滚运动的维持机制。     

俯仰角对鸭式布局飞机摇滚运动的影响与机理分析

为了研究鸭式布局飞机的摇滚运动,设计了一种包括鸭翼、脊型前体、边条翼、主翼和垂尾的模型,进行滚转自由度释放、静态测力、动导数试验和烟线流场显示多种技术手段相结合的风洞试验。首先为了得到摇滚从发生到消失的全过程,进行了俯仰角范围为12°~52°、间隔1°测量的滚转自由度释放试验;结果表明对应于不同的俯仰角,鸭翼布局飞机的摇滚运动也具有不同的性质,其平衡点和运动形式均发生变化。接着静态测力和动导数试验证实:在翼体结构的多涡系影响下,摇滚可在零度平衡点和非零平衡点位置处发生;且运动可为极限环和非极限环形式。最后通过流场显示,分析了在不同迎角时鸭式布局飞机形成翼体摇滚的可能的流动机理。     

双三角翼及其翼身组合的滚转运动特性比较研究

采用Navier-Stokes方程与滚转运动方程耦合计算方法,比较研究了不同后掠角的双三角翼和翼身组合体的滚转运动特性,分析了机翼前缘后掠角及细长机身对非定常滚转力矩时滞环、动态流场结构和物面瞬时压力分布的影响。研究结果表明：主翼迎风面上的融合涡能量在80°/60°双三角翼上耗散较小,而在76°/40°双三角翼上耗散严重,这是造成两模型滚转力矩稳定性与时滞特性差异的主要因素;机身对气流的扰动作用,大幅增强了滚转力矩的线性分量;机身对气流的上洗作用,增强了边条涡与融合涡吸力及其时滞性,同时加剧了主翼背风面的两涡干扰;大滚转角时机身对横流流动的干扰,使得主翼背风面压力分布的时滞差异显著增加。该研究结果有助于认识后掠角与细长机身影响双三角翼滚转运动特性的物理机理。     

前体涡诱导机翼摇滚的人工转捩技术研究

针对翼身组合体由前体绕流主控的机翼摇滚运动现象,在常规低速风洞中为了模拟其前体流动的过临界Re数绕流流态,研究并提出了一种分布式多转捩丝人工转捩技术。该技术是在模型前体的两侧分别以模型周向角±56.25°为中心周向对称分布多对转捩丝,其间隔为22.5°。转捩丝的轴向位置是从x/D=0.306开始延伸到机翼前缘翼根所在截面。在这样的布局下,当模型摇滚时,前体两侧绕流的转捩有效区内就能始终保持至少各有一根转捩丝。这样,在常规低速风洞中进行模型滚转振荡实验时,利用上述人工转捩技术,只要摇滚的减缩频率足够低,在任一滚转角下就能使得前体的边界层流动转捩到过临界流态。最后,在北航D4常规低速风洞中通过该人工转捩技术,得到了在前体过临界Re数绕流流态下,翼身组合体的机翼摇滚运动形态。     

鸭式布局飞行器的翼体摇滚特性风洞试验

为研究鸭式布局飞行器摇滚特性,设计了一种包括鸭翼、脊型前体、边条翼、主翼和垂尾的模型,进行了自由滚转、扰动滚转、静动态测力和烟线流场显示多种技术手段相结合的风洞试验。通过自由滚转和扰动滚转试验得到了该模型翼体摇滚的时间历程,静态测力和动导数测定验证了非极限环运动形式摇滚的发生。结果表明该鸭式布局模型摇滚不仅同侧存在多个摇滚平衡点,而且在临界俯仰角,摇滚过程中可能出现从一摇滚平衡点跳动至同侧另一摇滚平衡点的突变。通过流场显示技术得到该鸭式布局模型复杂流场的基本形态分布,并对滚转角为0°时的全机涡系干扰和摇滚形成机理进行了简要分析。     

组合体大迎角侧向气动特性研究

本文通过实验和理论分析，集中研究小展弦细长翼的翼身组合体的大迎角横向气动特性。研究表明，在大迎角定常非对称涡的范围内，由于翼身组合段对后柱体的边界层分离起遮蔽作用，大大削弱了非对称头涡在后柱体上诱导的侧力。实验证实，平置式翼身组合体的侧力要比单独体的侧力大；带两对弹翼的一般翼身组合体，它的侧力主要由前体以及弹翼组成，如果前体涡在弹翼上诱导的侧力与前体的侧力同向，则该侧力要比平置式布局“-О-”的侧力大得多。     

窄条翼布局导弹摇滚特性及流动机理

钝头体窄条翼布局导弹在大攻角下拥有极为优异的纵向气动特性,但横向容易失稳,做快速机动时容易诱发非指令的横向不稳定运动。通过开展高速风洞自由摇滚试验和数值模拟,研究了窄条翼导弹自由摇滚特性和流动机理,试验与计算吻合较好。研究发现:较大迎角时,窄条翼面积中心距离尾舵前缘根部5~6倍直径时,模型会进入极限环摇滚,窄条翼位置对模型稳定性有显著的影响,去掉窄条翼或尾舵时,模型均不会进入摇滚;模型空间流场特性表明,气流经过窄条翼时形成的片涡,对背风舵产生强烈的干扰,抑制了尾舵涡的形成和发展,使背风舵动态失稳,导致模型进入极限环摇滚。     

激光片光技术在非对称分离实验研究中的应用

主要讨论激光片光技术在细长翼身组合体前体非对称分离实验研究中的应用。通过激光的片光显示非对称分离涡，使研究人员能够清晰地看到细长翼身组合体前体的非对称涡的形成和形态。实验采用了四种前体的翼身组合体模型。通过片光显示，得出了每一种模型出现非对称涡的起始迎角。研究表明：l：3尖锥、l：3尖拱、l：3顶点倒圆的尖拱、l：l顶点倒圆的尖拱四种头部出现非对称涡的起始迎角各不相同，它与各自的分离特性关系密切。     

机身前体横截面形状对三角翼涡破裂位置的影响

通过求解三维定常雷诺时均方程,采用剪切应力输运(SST)湍流模型,在亚声速范围内,分别对融合体前体-三角翼组合体和旋成体前体-三角翼组合体流场中翼涡破裂现象进行了数值模拟.模拟结果显示:与旋成体前体相比,在中、大迎角时,融合体前体的分离涡,涡量集中、强度高,进入机翼上方流场后,能够与翼涡密切耦合,彻底地改变翼涡强度的分...     

摇滚/PIV/压力同步测控技术的发展及其在机翼摇滚研究中的应用

在北航D4风洞已研制的机翼摇滚运动/流动研究组合装置的基础上,为实现在一次实验中同步测量机翼摇滚运动角位移和相应的物面压力分布及空间流动参数,发展了机翼摇滚/PIV/物面压力分布同步测控技术。基于该同步测控技术,进一步研究了前体涡诱导机翼摇滚过程中流动特性及演化规律。此外,还对同步PIV技术中粒子材料的选用进行了研究。     

Effects of wing locations on wing rock induced by forebody vortices

Previous studies have shown that asymmetric vortex wakes over slender bodies exhibit a multi-vortex structure with an alternate arrangement along a body axis at high angle of attack. In this investigation, the effects of wing locations along a body axis on wing rock induced by forebody vortices was studied experimentally at a subcritical Reynolds number based on a body diameter. An artificial perturbation was added onto the nose tip to fix the orientations of forebody vortices. Par-ticle image velocimetry was used to identify flow patterns of forebody vortices in static situations, and time histories of wing rock were obtained using a free-to-roll rig. The results show that the wing locations can affect significantly the motion patterns of wing rock owing to the variation of multi-vortex patterns of forebody vortices. As the wing locations make the forebody vortices a two-vortex pattern, the wing body exhibits regularly divergence and fixed-point motion with azimuthal varia-tions of the tip perturbation. If a three-vortex pattern exists over the wing, however, the wing-rock patterns depend on the impact of the highest vortex and newborn vortex. As the three vortices together influence the wing flow, wing-rock patterns exhibit regularly fixed-points and limit-cycled oscillations. With the wing moving backwards, the newborn vortex becomes stronger, and wing-rock patterns become fixed-points, chaotic oscillations, and limit-cycled oscillations. With fur-ther backward movement of wings, the vortices are far away from the upper surface of wings, and the motions exhibit divergence, limit-cycled oscillations and fixed-points. For the rearmost location of the wing, the wing body exhibits stochastic oscillations and fixed-points.     

细长三角翼摇滚运动数值研究

采用亚迭代耦合求解流体动力学方程和刚体动力学方程数值研究方法,建立流体与刚体运动耦合的无时间滞后的数值手段来分析研究飞行器非定常的耦合运动特征,预测失稳运动的发生与发展。研究表明:在流动结构失稳后机体运动逐步形成极限环振荡的周期性自维持运动,滚转力矩系数滞回曲线呈现典型的”双8”稳定形态,前缘涡的非对称飘起与再附是典型三角翼摇滚的驱动形式;三角翼构型的自由滚振幅随攻角变化呈现阶跃式的变化;自激振荡的幅度及频率与滚动惯量的大小存在对应的规律性关系。非定常自激振动的翼摇滚具有多控制参数、非稳定、非线性的运动特征。     

翼身组合体大迎角前体非对称涡流动性态研究

在亚临界流动范围内,对于带有鸭翼、机翼的翼身组合体,在其头尖部带有确定扰动的条件下,研究模型大迎角下的非对称背涡结构及其气动力特性随扰动周向角的演化规律。通过对模型表面的压力分布和侧向力分布分析,结合流场显示结果,表明翼身组合体绕流中鸭翼前各截面均处于非对称二涡区,头部截面侧向力分布随头尖部滚转而呈现出双稳态特性,鸭翼和机翼上方的流动在大迎角下处于完全分离流动状态,从而使得模型上鸭翼之后的截面侧向力接近为零。     

尖侧缘机身布局的俯仰力矩特性及扰流板控制

针对尖侧缘机身布局在大迎角下存在的正俯仰力矩（抬头力矩）问题,通过风洞试验,首先研究了俯仰力矩的迎角分区特性及流动演化规律：线性增长区（迎角为0°~15°）,俯仰力矩线性增加,全机从附着流到形成进气道前缘涡和机翼涡;非线性增长区（迎角为17.5°~32.5°）,俯仰力矩非线性增加,机头涡出现,机头涡和进气道前缘涡逐渐增强,机翼涡增强后破裂;衰减区（迎角为35°~65°）,俯仰力矩逐渐减小,机头涡增强后破裂,进气道前缘涡破裂发展,机翼涡完全破裂。其次,发现了机身前体是产生正俯仰力矩的主要来源,机头涡是导致大迎角下正俯仰力矩的主控流动。当迎角为40°时,前体各截面正俯仰力矩在进气道前缘处达到最大,主要是由于该处机头涡诱导产生了较强的法向力。最后,提出了大迎角机身扰流板控制技术,产生了较好的控制效果。当迎角为40°时,扰流板可使正俯仰力矩减少62%,其原因是扰流板降低了机头涡涡量及其诱导产生的法向力,减少了机身前体对正俯仰力矩的贡献。该控制技术的缺点是扰流板会带来一些升力损失和附加阻力。基于尖侧缘机身参考宽度的雷诺数为2.59×10⁵。     

旋成体大迎角侧向力的控制方法计算研究

提出了运用充气气囊控制旋成体大迎角非对称分离涡的思路,并通过求解雷诺平均Navier-Stokes方程模拟了不同形状充气气囊作用下的流场,得到了充气气囊形状对旋成体侧向力的影响规律,计算结果表明充气气囊完全可以形成期望的流动干扰,为飞行器大迎角侧向力的控制探索了一条新的途径。     

高超音速进气道的附面层问题

本文论述了高超音速进气道所面临的严重附层面问题,高超音速附面层的特点,高超音速附面层对进气道性能的影响,影响附面层转捩和厚度的诸因素.对如何控制和改善附面层及在设计高超音速进气道时如何考虑附面层因素,亦提出了一些初步看法.