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。     

CST气动外形参数化方法研究

 类别形状函数变换(CST)方法是通过类别函数和形状函数来表示几何外形的新型气动外形参数化方法。通过考察参数化过程线性系统的条件数以及对翼型的表示误差,研究了Bernstein多项式阶数(BPO)对CST方法单值性和精度的影响,并将CST方法与B样条法、Hicks-Henne法和参数化翼型(PARSEC)法的参数数量和表示精度进行了对比。使用基于CST参数化方法的远场组元(FCE)激波阻力优化方法对超声速机翼进行外形优化,优化后的机翼其激波阻力降低达61%。研究结果表明:CST方法具有参数少,精度高的优点;为保证表示精度,同时避免病态参数化过程,应使用4阶以上、10阶以下的Bernstein多项式定义形状函数。     

新一代环保型超声速客机气动相关关键技术与研究进展

更快的旅行速度是人类永恒的追求。虽然以"协和"号和"图144"为代表的第一代超声速客机商业运营失败,但之后人类从来就没有停止过对新一代更加环保的超声速客机的探索与研究。本文首先梳理总结了其中首要突破的四大关键技术(声爆预测及其抑制技术、超声速减阻技术、变循环发动机技术、低声爆低阻布局与综合优化设计技术),并对其国内外研究进展情况进行了文献综述,对研究现状进行了分析。其次,介绍了西北工业大学超声速客机研究中心在声爆预测理论与方法、声爆抑制技术、低声爆低阻布局与综合优化技术、超声速层流减阻技术等方面的研究进展。最后,针对发展新一代环保型超声速客机当前急需突破的关键科学与技术问题,探讨了未来需重点研究的方向。     

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。     

空客将采用新的减阻机翼整流罩

该公司正在研究利用美国专利设计新的机翼根部整流罩,它能够减少安装在机翼上的发动机所带来的阻力。与常规机翼根部整流罩相比．新整流罩通过沿着机翼机身交界区的鼓包和机腹局部几何外形进行了修形,可以产生向外传播到机翼翼梢的有利压力波．从而可以减少由发动机产生的阻力。根据现有的试验结果表明,新的整流罩不仅可以改善飞机在不同飞行条件下的性能,同时也有利于改善机翼的载荷分布．增加飞机的自主飞行能力．而这种修形既不会增加结构重量．也不会增加制造成本。     

沿流向微结构沟槽流场直接数值模拟

采用高阶格式对覆有V型对称沟槽表面的槽道湍流流动进行了直接数值模拟,数值方法采用有限差分法。为精确求解沟槽壁面的湍流流动,对流项的离散采用7阶WENO（Weighted Essentially Non-Oscillatory）格式;时间推进采用分数步时间推进与低耗散、低色散Runge-Kutta方法（LDDRK方法）结合的格式;黏性项的离散采用6阶中心格式。模拟的雷诺数为5 000（基于槽道高度的1/2）,计算的沟槽宽度范围为13~44,沟槽斜壁与水平面夹角为60°。数值模拟结果表明,与平板相比,沿流向沟槽表面的阻力最高降低了9%。数据分析发现出现减阻效果时,沟槽减少了近壁面处顺流向涡的数目,并且减阻机理与微沟槽阻碍大尺度流向涡与沟槽壁面的直接碰撞,使沟槽表面湍流脉动得到削弱有关。     

半球头体多孔逆向射流的减阻性能

采用基于shear stress transfer(SST)k-ω双方程湍流模型的数值方法研究了等面积多孔逆向射流对超声速来流条件下半球头体减阻性能的影响。基于等射流面积设计原则,在半球头体驻点附近进行多孔逆向射流喷注,通过改变射流总压比、射流孔数量,分析各变量对减阻性能的影响,并探讨多孔逆向射流间的相互影响。仿真发现:逆向射流能有效减小半球头体受到的阻力,随着总压比的增大,多孔逆向射流回流区增大,射流减阻性能提高;随着射流孔数的增多,射流减阻性能先提高再降低。在研究范围中,双孔逆向射流取得最优的减阻效果,其减阻比高达29%,双孔逆向射流间的相互影响是其取得良好减阻性能的关键。多孔逆向射流展现了取得优良减阻性能的可能性。     

基于离散协同射流的翼型增升减阻方法

协同射流是一种近壁面流动的高效、低能耗主动控制技术。重点开展了一种应用离散协同射流的二维翼型增升减阻效应的数值模拟研究,分析了离散协同射流的堵塞度和喷口密集度等关键参数对流场结构、气动特性、功率消耗及能量利用率的影响效应与作用规律。在施加离散协同射流措施后,能够使翼型近壁面空间流场更有效地产生较强的相干涡结构,使得射流与主流及边界层充分混合,可显著提高同等迎角下的升力系数、明显减小阻力系数,最大升力系数提高近150%,失速攻角推迟约5°。研究表明:离散协同射流是一种显著提高翼型性能的高效流动控制方法。     

可压缩湍流边界层燃烧减阻研究综述

减阻设计对于提高超燃冲压发动机性能具有重要意义,而边界层燃烧是一种有效的减阻方法。综述分别从实验、理论和数值模拟研究方面介绍了边界层燃烧减阻的相关进展。实验研究验证了边界层燃烧减阻的有效性,研究了不同因素对边界层燃烧减阻效率的影响,初步形成了将该减阻技术应用于高超声速飞行器的能力。理论研究建立了考虑边界层燃烧的壁面摩阻、热流理论计算模型,而数值模拟帮助揭示了边界层燃烧减阻的内在物理机理。澳大利亚Queensland大学在该方面开展了较为系统的研究,欧洲、美国、俄罗斯、日本等在该方面极少公开发表相关研究成果。中国学者取得了一定进展,但与世界先进水平仍有较大差距,尤其是在实验研究方面。