分布式边界层吸入推进系统的建模与分析

机体后部边界层吸入技术可显著改善飞机的燃油经济性,但目前尚未建立推进系统设计与分析方法。针对类似N3-X飞机的分布式边界层吸入推进系统,采用基于边界层积分方程的数值分析方法,引入功推比参数,详细分析边界层状态和推进系统参数对系统性能的影响,从而为推进系统设计提供理论和数据支撑。通过基准状态与N3-X的对比,验证了计算方法的可靠性。分析表明,当吸入边界层占比为50%左右时推进系统能耗可降低4%,边界层形状因子越小或者动量厚度越大,能耗降低越多;进气道扩张比对功推比的影响不大;随着进气道入口马赫数增大、风扇压比降低、风扇效率增大、风扇损失降低或者喷流速度降低,功推比都会下降。     

典型构型空腔模型设计与流动/噪声特性研究

空腔高速流动包含着复杂波系、旋涡、剪切层等空气动力学典型流动特征,空腔研究中的模型设计、来流马赫数和边界层等参数模拟,以及典型空腔流动/噪声计算与试验结果的差异、缘由等问题亟需解决。综合参考国内外空腔模型参数选取和设计方案,在分析前期前缘平板尖劈构型和角度对来流边界层形态和厚度的影响规律的基础上,通过改变空腔前缘平板尖劈构型和角度来解决上述参数模拟不准和引起计算与试验结果差异等问题,提出了一种典型结构平板-空腔标模(C201)的参数选取和设计方案,给定前缘平板尖劈角度为5°,并利用理论分析、数值计算和风洞试验对该模型设计方案进行了考核验证。综合利用表面流谱、空间流场结构和静/动压测量方法等,获得了亚跨超声速条件下(Ma:0.6~2.0)C201空腔流动/噪声的基本试验数据,并深入分析了该模型的流动/噪声特性及来流马赫数、攻角等参数的影响规律,可为数值计算方法的验证、空腔流动/噪声机理分析和控制方法的构建等提供基本验证数据和借鉴依据。     

风洞试验模型表面的荧光油膜路径运动速度测量

风洞试验模型在气流脉动作用下小幅振动，导致光流法从荧光油膜时序图像中解得的荧光油膜路径运动速度含有模型运动速度，降低了荧光油膜全局摩阻测量准度。为此，提出试验模型表面的荧光油膜路径运动速度测量方法，将模型表面的背景纹理（如人工网格线或其他典型特征）作为基准，利用图像相关法离散匹配，获得相邻时序图像中背景纹理的（几何位姿）映射矩阵；基于模型运动的连续性，推导了映射矩阵的全局优化方程，并结合光流法，实现了模型振动与其表面荧光油膜路径运动的解耦。Oseen涡对的荧光油膜路径运动速度场仿真试验结果表明：在给定的平移旋转条件下，本文方法的计算结果（沿Oseen涡核连线分布的测量速度）与理论值的最大相对误差为4.1%，较无平移旋转条件下的光流计算结果最大相对误差仅增加0.6%。2 m量级高速风洞某空腔试验与机翼试验的荧光油膜路径运动速度测量结果进一步显示：本文方法测得的流动现象正确，能得到定量、清晰的表面摩擦应力线图谱与油膜路径运动速度场，较传统方法优势明显，工程应用价值大。     

超声速空腔流激振荡与声学特性研究

基于高速风洞试验研究了超声速时空腔流激振荡与声学特性.试验马赫数为1.5,基于每米的雷诺数为2.26×107,来流边界层厚度为0.024 m,试验空腔长深比分别为15,12和6.结果表明:空腔内形成的剪切层与腔后壁相撞诱发腔内较强烈噪声,噪声从腔后缘向腔前缘传播时受到腔内流动的干扰,故同频率下腔后缘处的声压均高于腔前中部区域的声压.闭式和过渡式空腔长深比较大,剪切层与腔底面相撞在腔内形成的压缩波或激波,干扰了从腔内声波反馈回路、限制了流激振荡的形成,故腔内未出现明显的声压峰值激振频率;开式空腔长深比较小,剪切层直接跨过空腔中部与腔后壁相撞,产生的噪声向腔前缘传播,腔内形成流激振荡,并出现多个声压峰值激振频率.      

基于深度学习光流法的荧光油膜全局速度测量

针对基于先验的传统光流法存在前提条件苛刻的问题，提出使用基于深度学习的光流法进行荧光油膜全局速度测量。采用数值仿真试验对基于先验的改进HS光流法和基于深度学习的FlowNet2光流法进行对比，结果显示：在不外加干扰时，改进HS光流法和FlowNet2光流法的平均端点误差分别为0.458 7像素/s和0.381 7像素/s；在亮度变化、噪声干扰或不同的演化时间下，FlowNet2光流法的平均端点误差均明显低于改进HS光流法，平均端点误差差值最大可达5.19像素/s；风洞试验进一步证明，FlowNet2光流法能够获得正确、清晰、定量的荧光油膜全局速度场，较改进HS光流法鲁棒性更高，对风洞工程应用具有一定的参考价值。     

高马赫数内埋武器舱被动流动控制措施

高马赫数(Ma>2)武器舱剪切层更强、更稳定，其噪声产生机制与通常的亚、跨、超声速武器舱流动不同，导致用来抑制空腔噪声的流动控制措施也不同。分别采用数值模拟和风洞试验2种手段，研究了圆柱形机身和马赫数对空腔流动特性的影响，以及前缘锯齿、前缘立柱、前缘横柱、前缘挡板等不同被动流动控制措施对高马赫数武器舱声压级特性的影响，为高马赫数武器舱的流动控制措施设计和研究提供参考。研究表明：圆柱形机身对空腔底部的压力分布会产生影响，压力分布的不均匀性增大，后壁附近的压力峰值增大；对通常的亚、跨、超声速武器舱流动较为有效的被动流动控制措施，对高马赫数空腔流动效果不明显，甚至会加大武器舱内的噪声等级，需要开展更为深入的研究，以设计更为有效的流动控制措施。     

面向无人机空中加油紧密编队的鲁棒控制方法

针对无人机空中加油紧密编队系统鲁棒控制问题，提出了一种基于障碍函数的自适应干扰观测器的分布式鲁棒编队控制方法。对固定翼无人机外环动力学模型进行转换，构造了具有非匹配和匹配扰动的二阶多体系统简化模型，并基于障碍函数设计了相应通道的自适应干扰观测器；利用邻机状态信息定义了相应的一致误差函数，在此基础上，基于编队系统通信拓扑结构，引入干扰补偿机制，开发了空中加油无人机紧密编队系统分布式鲁棒控制器，以实现理想的异构无人机编队跟踪控制性能。基于Lyapunov稳定性理论，分析了闭环系统的稳定性和收敛性。最后，通过将所提方法应用在由不同型号的1架加油机和2架受油机构成的编队系统上，进行数值仿真验证。所得到仿真结果与理论分析一致，验证了设计的干扰观测器和控制器的有效性。     

连续式跨声速风洞短轴探管设计与试验

为深入研究不同类型短轴探管的测值特性，设计了多种无需张线固定的短轴探管，通过风洞试验开展了相关探索研究。试验结果表明:不同外形参数的短轴探管与长轴探管在马赫数在0.95以下时马赫数方均根偏差量差异不超过0.000 3，马赫数修正量差异不超过0.000 8，测值曲线无明显变化；马赫数在1.0~1.4区间时，不同形式的短轴探管与长轴探管的测试结果存在明显差异，优化短轴探管头部外形参数、增加柱段长度可不同程度地降低头部对试验段流场的干扰。