基于湍流边界层时均速度分布的脊状表面减阻规律研究

通过对试验测得的脊状表面湍流边界层时均速度分布的分析,获得了脊状表面的减阻范围和基本规律.脊状表面理论零点及壁面摩擦速度的计算采用基于湍流边界层Spalding壁面律公式的最小二乘拟合方法;模型板摩擦阻力计算采用基于边界层动量积分方程的方法.研究表明:脊状结构使得湍流边界层粘性底层增厚,近壁面法向速度梯度降低,过渡层与对数律区上移;V型脊状结构的无量纲宽度s+介于6至18时具有减阻效果;当s+≈12时,减阻量最大,最大值约7.7%.      

疏水微槽道内层流减阻的实验研究

研究了光滑和带有横向凹槽结构的疏水微槽道内层流的流动特性和表面滑移效应。在硅片上加工了矩形截面微槽道,利用十八烷基三氯硅烷（octadecyltrichlomsilane OTS）在槽道内壁形成疏水薄膜。实验结果表明在光滑疏水微槽道内的水流压降比无滑移条件下的理论值减少8％。对于侧壁带有凹槽结构的疏水微槽道,流动阻力可以降低10％～30％。笔者采用micro—PIV测量得到的壁面表观滑移速度约为槽道中心速度的8％,滑移长度约为2μm。实验结果与滑移壁面条件下三维槽道内层流的解析解吻合,同时得到了带有凹槽结构的疏水微槽道内的流速分布。     

分段吹气高层建筑的减阻性能数值研究

为减小高层建筑的风致阻力,改善结构的抗风性能,本文采用CFD方法研究了分段吹气高层建筑模型的风荷载减阻性能,分析了侧风面和竖向开孔位置、吹气孔高度hi和吹气速度Vci等参数对减阻性能的影响。结果表明:孔洞位于离侧风面前缘3%宽度时模型的减阻性能优于其它侧风面开孔方案;分段吹气模型的最佳竖向开孔位置发生在0.425m高度处;保持Vci不变时,增加hi使得模型顺风向的阻力折减系数和基底弯矩折减系数增大,且风压减阻效率随hi的增加而减小并逐渐趋近于1.0;当吹气流量或顺风向吹气动量不变时,分段吹气模型的风压减阻效率均不如全高吹气模型。基于最大减阻效率和最小吹气功率比较了分段和全高吹气模型的减阻性能,发现后者的减阻性能优于前者,然而对于某些考虑局部风压的折减,我们可在高层建筑中上部设置吹气装置来改善其局部风压特性。最后,拟合了减阻效率(ηDR和ηMR)关于吹气孔中心高度、hi和Vci的经验公式,为分段吹气控制的应用提供参考。     

脊状表面航行器模型减阻特性的水洞实验研究

通过水洞实验研究具有横流方向的脊状表面航行器的阻力特性.运用三分力天平,分别对光滑表面航行器模型和脊状表面航行器模型在零迎角、不同水速下进行阻力测试,得到其减阻特性曲线.实验结果表明,脊状表面航行器模型具有很好的减阻效果,减阻量与脊状结构的特征尺寸、间距以及来流速度有密切关系.在实验工况内,最大减阻量达到11.7%.     

超临界翼型吸气层流减阻控制数值研究

使用Fluent求解器,分别对超临界翼型上翼面全吸气及部分区域吸气时进行了层流减阻数值研究,探究了不同吸气系数及雷诺数对翼型转捩位置和阻力的影响规律.结果表明:①对上翼面全弦长范围进行吸气控制,能有效地推后转捩位置.当吸气系数超过某一值时,能够使上翼面达到全层流状态,从而减小翼型阻力;②只对上翼面15%~65%弦长区域内进行吸气控制,当吸气系数达到一定值时,可达到与全吸气时几乎相同的减阻效果;③其他飞行条件相同时,在较小雷诺数下,减阻效果较好.     

Unsteady drag measurements for flow over a circular disk

对垂直于来流方向的圆盘进行非定常测力实验,研究上游二维干扰圆杆和圆盘绕流雷诺数(雷诺数范围为0.44×10⁵~2.74×10⁵)对圆盘阻力及其脉动特性的影响.实验结果表明,无论有无上游干扰,圆盘平均阻力系数均不随雷诺数改变.上游干扰圆杆在降低圆盘阻力系数的同时,使圆盘阻力脉动量增大,而且当圆盘绕流雷诺数大于1.84×10⁵时阻力脉动量的增幅将随雷诺数的加大而迅速增加.对圆盘阻力的频谱分析表明,在圆盘上游无干扰时,圆盘绕流形成的螺旋状涡引起的非轴对称波动频率(斯特劳哈尔数为0.135)为阻力脉动的主频.     

导弹表面流动分离与后体减阻设计

采用基于压缩性修正的两方程K\|ω\|WD+模式数值求解雷诺平均的Navier\|Stokes方程组,数值模拟导弹跨、超声速流动(含底部),研究导弹后体多台阶、环向凹槽等典型分离流动的被动减阻措施对阻力缩减的影响。与分离导致阻力增加的传统观点不同,通过分析计算结果发现多台阶能有效降低摩阻及底部阻力;环向凹槽则有利于降低摩擦阻力,底阻减小不明显;组合外形未必能获得较基准外形更多的阻力缩减,欲获得更多的阻力缩减,仍须开展更深入细致的工作。
     

临近空间太阳能无人机增升减阻技术综述

临近空间太阳能无人机是介于航空器与航天器之间的特殊飞行器。受太阳能电池的光电转换效率和储能电池能量密度的约束,提升临近空间太阳能无人机气动效率和螺旋桨推进效率是保证该类型无人机平台任务执行能力、具备永久飞行能力的重要技术途径。然而低雷诺数效应给全机增升减阻技术攻关和节能降耗的设计目标带来了严重困难和挑战。针对这一问题,本文从翼型设计、气动布局设计、螺旋桨/机翼气动耦合设计、流动控制技术、螺旋桨增效设计5个方面调研了临近空间太阳能无人机增升减阻技术的研究现状,梳理了现有增升减阻措施的技术路线,分析了不同增升减阻方法的优势与不足,最后针对临近空间太阳能无人机增升减阻技术的发展趋势给出了建议。     

剪切翼梢增升减阻机理

在计算与风洞实验的基础上 ,提出了机翼剪切翼梢气动布局 ,对平面形状与翼型进行了优化设计 ,达到了巡航状态与爬升阶段较高的增升减阻要求。计算采用涡格面元法与涡升力展向分布吸力比拟法相结合的方法 ,既能考虑气动力的非线性因素 ,又有较高的计算精度与速度。计算结果与实验数据十分吻合。通过分析得到 ,在矩形翼翼梢处增加具有较大前缘后掠角的梯形剪切翼梢有不仅增加机翼展弦比 ,且可改变展向环量分布 ,使其接近椭圆分布 ;剪切翼梢上的前缘涡可抑制翼端涡的作用 (使翼端涡强度变弱 ) ,并在剪切翼梢上产生附加升力     

基于Coanda脉冲射流的D型体主动减阻控制研究

D型体是典型钝体之一,其尾缘分离流动及近尾流流动结构与其受到的气动阻力密切相关。本文结合Coanda脉冲射流及遗传算法,对D型体绕流进行主动减阻控制。实验在直流风洞中进行,基于来流速度和D型体高度H的雷诺数为1.8×104;Coanda脉冲射流布置于D型体背部上下两侧,控制参数包括射流的驱动压力、频率和占空比,以及背部上下侧射流相位差。遗传算法的目标函数为D型体时均背压,间接反映D型体所受气动阻力。研究结果表明：遗传算法能够帮助确定Coanda脉冲射流的最优控制参数组合（射流驱动压力为1.94 atm,无量纲射流频率为0.27,射流占空比为37%,上下侧射流相位差为136°）,使D型体时均背压提升达61%（对应的减阻率约为23%）,对应45%的控制效率;在最优控制参数下,D型体近尾流交替脱落的大尺度旋涡被破坏,脱落频率和相位差被改变。