高超飞行器尖前缘材料发展及相关气动热试验

回顾了高超声速飞行器建立的几种热防护系统,简要分析了吸气式发动机高超声速飞行器尖前缘的热环境特点及相应防热材料发展的趋势,介绍了近20年来美国在吸气式发动机高超声速飞行器相关研究中所开展的Hytech、X43A及NGLT等三个研究项目,重点介绍这些研究项目中尖前缘材料的发展以及进行的气动热试验.     

PIV测量非定常自由来流中的三角翼前缘涡

在南航非定常风洞中,运用PIV测量技术,研究了非定常自由来流下三角翼前缘涡瞬时涡结构的变化。通过分析三角翼前缘涡速度矢量、涡量以及流动拓扑结构的变化可知,在减速过程中,破裂的前缘集中涡重新卷起,形成涡量较强的集中涡,横截面流动拓扑结构显示,流动结构从不稳定的焦点变成稳定的极限环,这也就说明前缘集中涡的破裂点位置向下游移动;在加速过程中,集中涡很快破裂,涡量随之减小,流动拓扑结构从稳定的极限环变成不稳定的焦点,前缘集中涡的破裂点位置向上游移动。分析认为外部压力梯度的变化可能是导致涡破裂位置移动的原因。     

基于红外辐射的涡轮转子叶片前缘温度场测量

根据发动机涡轮转子叶片温度场测试需求,对发动机进行了局部改装,并设计了安装支架,利用红外辐射高温计测量了发动机涡轮叶片前缘及叶盆温度场。试验结果表明,所有叶片表面温度分布具有明显的规律性——中截面附近区域前缘温度最高、叶盆次之,在前缘和叶盆之间存在一低温区;从前缘到叶盆的叶尖弦向温度呈反S形分布。各涡轮叶片叶盆存在一椭圆形高温区,该高温区在中截面附近温度最高,沿叶尖和叶根方向延伸并伴随温度递减。各涡轮叶片前缘温度的高温区都集中在中截面附近约1/3叶高范围,叶尖和叶根温度都较低。     

高温热管性能分析与试验

设计并制备了钠工质、高温合金管壳的丝网型高温热管,测试并分析了在辐射和自然对流散热条件下不同加热功率和不同倾角对热管启动特性和稳态工作后等温性能的影响。结果表明,钠高温热管在不同倾角下都可顺利启动,而且随着加热功率的增加,钠高温热管启动时间越短,但倾角对启动时间影响不大。在倒置45°和倒置90°倾角时,在较大功率下热管的蒸发段出现温度激增现象,分析认为是由于丝网吸液芯毛细力不足导致蒸发段出现工质干涸造成的,说明已经达到了热管的毛细极限。     

某型飞机平尾前缘抗鸟撞优化设计

进行了某型飞机部分平尾前缘结构的抗鸟撞优化设计。通过有限元分析对比研究了蒙皮厚度、翼肋个数、隔板对平尾前缘抗鸟撞性能的影响。从分析结果可以看出,增加隔板的方案对结构抗鸟撞性能的提高最明显。然后,进行了增加隔板的平尾前缘结构鸟撞试验,试验结果与模拟结果吻合良好,满足结构的抗鸟撞要求。     

涡轮叶片前缘对冲孔排气膜冷却特性的数值研究

对涡轮叶片前缘对冲孔排和错位对冲孔排的气膜冷却特性进行了数值研究,分别在吹风比为05、10、15、20的工况下,分析了模型表面气膜冷却效率和表面传热系数的分布规律,对比了不同气膜孔排结构和孔间距对下游气膜冷却效率和传热系数的影响。结果表明:相比于传统同向倾斜孔排结构,对冲孔排结构并没有减弱气膜的冷却特性,反而在靠近端壁处比传统同向倾斜孔排更易于加工;两种孔排下的气膜冷却效率均随着吹风比的增大而减小,而传热系数值均随着吹风比的增大而增大;在孔排近下游范围内,随着孔间距的增大,气膜冷却效率逐渐减小且在小吹风比下更加明显,传热系数值随着孔间距的增大逐渐减小且在大吹风比下更加明显。      

冲压发动机进气道楔形前缘体热应力分析

为研究拉压不同模量(以下简称双模量)冲压发动机进气道前缘体的热应力状态,在Ansys基础上,利用二次开发,得到了可分析具有双模量属性材料应力的模块。以ZrB2-SiC为材料的发动机前缘构件的ZrB2部分为研究对象,以来流马赫数6.0,总温1660K,总压2.85MPa为条件,经流场及热传导计算得到前缘体内部不均匀温度场。实验测得ZrB2材料在不同温度下的拉、压模量,其压缩模量为拉伸模量的两倍,将拉、压弹性模量以及计算的温度场导入到所开发的模块中进行热应力分析,得到此前缘体ZrB2部分的热应力分布状态。将此结果与不考虑双模量情况下进行流-固-热耦合分析得到的热应力分布曲线进行对比。结果表明,不考虑ZrB2材料的双模量属性的结果最大误差高达300%,严重超出了工程上的要求精度。对比结果说明了不同模量理论的重要性,同时证明了所开发的不同模量应力分析模块的工程实用价值。     

缝翼凹腔挡板气动性能和降噪效果数值研究

采用定常RANS方法计算缝翼凹腔挡板气动性能,并进一步采用SNGR方法快速评估缝翼凹腔挡板降噪效果。首先利用30P30N三段翼型的风洞试验数据验证数值方法的可靠性;其次参照AIAA国际会议发表论文中的标准前缘缝翼及其凹腔挡板几何模型,对无挡板、短挡板和长挡板三种构型的气动性能和噪声特性进行了对比。计算结果表明:1)短挡板和长挡板不会改变失速迎角,在失速迎角下带来了的升力损失仅为0.2%和0.7%;2)挡板带来的升力损失主要是由挡板上下表面及主翼下翼面前缘的压力分布差异导致的,而压力分布差异又源于挡板对缝翼凹腔分离涡形态的影响;3)相比无挡板构型,短挡板和长挡板构型均能降低缝翼凹腔及缝道附近的自噪声、剪切噪声和总噪声,且长挡板构型的降噪效果比短挡板构型更为显著。     

锯齿单元对起落架/舱体耦合噪声抑制试验

当前中国民用飞机高速发展,噪声排放问题受到广泛关注。在飞机起降阶段,飞行高度较低且处于机场附近,其噪声直接影响到机场地面周围环境。该阶段内起落架噪声占比较大,成为研究的重点。此外,起落架在收放过程中,除自身脱落涡产生的噪声外,当起落架舱门开启时,舱体空腔内产生自持性振荡噪声,与起落架噪声一起形成更为复杂的起落架+舱体耦合噪声,直接影响到整个着陆系统噪声水平,因此研究起落架与舱体耦合噪声产生机理和抑制措施显得尤为必要。以简化的起落架及其舱体为研究对象,提出一种低马赫数（0.2Ma/0.25Ma）条件下,利用前缘锯齿扰流单元对起落架/舱体耦合噪声进行抑制的方法,并在0.55 m×0.4 m航空声学风洞进行试验验证。首先,从起落架及其舱体耦合噪声产生原因进行分析,分别明确起落架和舱体在耦合噪声各个频段的贡献作用。随后,在舱体空腔前缘安装锯齿扰流单元,以改变自由来流状态,验证降噪措施;同时采用参数化研究方法,研究锯齿扰流单元不同偏角对降噪效果的影响。最后,将起落架模型安装于舱体空腔内,分析锯齿扰流单元对耦合噪声的抑制能力。研究结果表明,锯齿形扰流单元对舱体腔体噪声与起落架/舱体耦合噪声具有明显降低作用,在本试验条件下,30°安装角最佳。预期成果可以应用于起落架/舱体耦合降噪。     

基于前缘吸力的直升机旋翼悬停诱导功率

本文得出了非定常可压缩升力面情况下直升机悬停时基于前缘吸力的旋翼诱导阻力及功率的计算公式,算例表明了它的适用性,此式可作为优化桨叶平面形状的基础。