催化效应对气动热环境影响的流动-传热耦合数值分析

鉴于高超声速飞行中高温气体效应带来的壁面催化反应可显著增加气动热载荷,在气动热环境与结构热响应的分析与预报中需充分考虑催化反应带来的影响。将简化原子复合催化模型和有限速率催化反应模型嵌入超高速流动-传热耦合分析模型中,建立超高速流动/催化反应/传热多场耦合分析模型。其中,通过高频等离子风洞的催化特性测试获得ZrB₂-SiC超高温陶瓷材料表面催化系数与温度的函数关系,对比分析耦合计算和非耦合计算、简化原子复合催化模型和有限速率催化反应模型对气动热环境的影响和适应性,结果表明材料表面催化特性对壁面总热流有重大影响。对于具有较高热导率材料的热响应,耦合传热分析能够有效避免非耦合计算带来的过度高估的结果,而有限速率催化反应模型可有效提高计算精度。在此基础之上,通过耦合传热分析,揭示了催化反应与壁面传热的内在关系,证明了在传热分析中考虑表面催化效应可提升结构热响应精度和防热系统精细化设计的能力。     

基于声振主要传播路径的汽车风噪简化模型评估

以某款实车为研究对象建立了统计能量分析（Statistical Energy Analysis,SEA）模型,通过传播特性分析对其主要传播路径进行分类,并进行简化模型近似性分析。通过对SEA模型中主要和次要子系统选取,建立了2种简化模型,对其车内噪声和传播路径的计算表明:模型子系统特性改变,能量的传播路径和大小特性随之变化、甚至子系统对外界流体脉动和声场的接受能力也发生变化,导致得到的车内噪声计算结果发生改变。简化模型的使用还需进一步研究。     

轴承支撑的舵面热模态试验及支撑刚度辨识

对在大气层内及临近空间内长时间飞行的高超声速飞行器,其舵面的模态特性比固支的翼面更加复杂,除了与舵面自身的弹性模量及内部热应力有关外,还受到根部支撑刚度的较大影响,并且支撑刚度还将受到温度的影响。以轴承机构支撑的舵面为对象,考虑温度对支撑刚度的影响,建立了非固支的全动舵面支撑边界条件。通过设计舵面受热相同、支撑部位受热不同的加热工况,辨识出了连接面两侧温升对舵面支撑刚度的线性影响规律,并验证了辨识结果的有效性。结果表明：在舵面受热相同情况下,降低支撑部位的温升,可以有效减少舵面模态频率受气动加热的影响。研究结果可供安装此类舵面的飞行器防热设计参考。     

基于HyperFLOW平台的客机标模CHN-T1气动性能预测及可信度研究

近年来,针对实际飞行器外形的CFD气动性能预测及可信度研究逐步得到重视,国内也召开了第一届航空CFD可信度研讨会(AeCW-1)。本文首先基于自主研发的CFD软件平台HyperFLOW对NACA0012翼型低速绕流进行了网格收敛性研究,验证了软件对简单湍流问题的模拟能力且具备良好的网格收敛性。其次,针对AeCW-1提供的客机标模CHN-T1,选用其中的两个算例:(1)定升力系数的网格收敛性研究;(2)考虑模型支撑和模型静气动弹性变形的抖振特性研究,研究了计算结果的网格收敛性及模型支撑、静气动弹性变形和湍流模型等对气动特性预测精度的影响。结果表明:观测精度阶和网格收敛性指数显示数值结果具有良好的网格收敛性和可信度;是否考虑模型支撑对力矩的预测精度影响较大,引入尾撑和弹性变形后,数值结果与实验结果吻合较好;对于CHN-T1标模,采用QCR关系式对原始SA模型进行修正对标模力矩特性有一定影响。     

模化设计对离心压气机气动噪声的影响

采用数值计算方法研究了模化设计对压气机气动噪声的影响,三维流场计算结果表明模化设计压气机与原始机型满足相似准则,整级性能参数误差在2%以内;流场结构的分析进一步证实了模化机型与原始机型流场相似。基于非定常雷诺平均方法和声学边界元方法的混合气动声学方法对模化前后的压气机气动噪声进行了数值预测,结果表明:压气机气动噪声主要由离散单音噪声和宽频噪声组成,且离散单音噪声占主导。模化机型总声压级随着模化比减小逐渐减小,相比于原始机型,模化机型离散单音噪声峰值仅略有降低,而宽频噪声大幅提高。压气机气动噪声在进气管口有明显指向性,模化机型声压幅值和指向性较原始机型降低,且变化趋势与模化比成正比。      

气动推力矢量无舵面飞翼的飞行实验

为实现对无舵面飞翼姿态的控制,针对基本型旁路式双喉道气动推力矢量喷管提出了“单发倒Ⅴ双喷管”布局。随后对该布局的喷管进行测力实验,并且最终将其安装在飞行器上进行了成功试飞,并对采集到的飞行数据进行了分析。结果表明:喷管矢量角随喷管阀门开度基本呈线性变化,且无滞回性;安装该布局喷管的飞行器可以不通过舵面控制,仅仅依靠旁路式双喉道气动推力矢量喷管即可有效地控制飞行器姿态;对于所研究的飞行器,在滚转机动性方面,矢量控制与舵面控制效果相近,而对于俯仰机动性,矢量控制效果较弱;后续如果使用该布局喷管控制飞行器姿态时,应当增大两个喷管之间的夹角,将更适用于飞翼布局飞行器的操纵。      

基于耦合伴随方法的串/并行气动结构优化设计对比

采用RANS方程、线性有限元分析手段、映射点局部插值方法和逆距离动网格技术对气动和结构之间的耦合现象进行了分析。然后基于气动结构耦合伴随方法,对气动和结构设计变量梯度进行了高效求解。最后结合自由曲面变形技术、梯度优化方法构建气动结构优化设计框架。选取飞翼布局民用客机开展气动结构串行与并行优化设计研究。在相同阻力水平的前提下,并行优化结果比串行优化获得了8.4%航程收益和8.3%结构质量收益。同时,串行优化设计结果在中翼段上翼面仍然存在明显激波,而并行优化结果呈现光滑的等间距等压线分布特征。因此并行气动结构优化设计方法可以充分挖掘气动结构耦合下的设计潜力,更有利于对大柔性气动结构优化设计问题进行研究。      

悬停状态剪刀式尾桨气动/噪声特性优化分析

建立了一套基于CFD(computational fluid dynamics)方法和FW-H(Ffowcs Williams-Hawkings)方程的剪刀式尾桨气动噪声预估技术和组合优化算法的尾桨外形参数设计方法。基于嵌套网格方法采用雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程作为尾桨流场求解控制方程,采用了一套适用于剪刀式尾桨悬停气动特性模拟的高效CFD方法。在流场分析的基础上,采用FW-H方程预测剪刀式尾桨在典型观察位置处的气动噪声。分别在控制总距以及控制拉力系数不变的情况下,以提高尾桨悬停效率同时降低气动噪声为目标,对剪刀式尾桨的剪刀角和轴间距两个主要外形参数进行优化设计。将基于拉丁超立方(LHS)方法和径向基函数(RBF)的代理模型方法与遗传算法过程相结合,建立了一种有效的组合优化算法。结果表明:剪刀角和轴间距的不同组合可以通过削弱桨-涡干扰现象从而实现降低旋翼桨-涡干扰噪声的目的。在当前的计算状态下,优化得到的剪刀式尾桨的悬停效率比常规尾桨高16%,其平均声压级比常规尾桨降低了2.3 dB。      

大子午扩张涡轮扇形叶栅变工况性能实验研究

为了研究大子午扩张低压涡轮变工况下的流动性能,分别对大子午扩张低压涡轮的两套不同的扇形叶栅进行气动实验研究。在设计进口气流角条件下,分别进行不同高亚声速马赫数出口变工况实验研究;在出口马赫数不变的条件下,完成变攻角实验。分析了大子午叶栅流动损失特点和二次流的影响规律。结果表明:大子午扩张实验叶栅出口存在两个明显的高损失通道涡,上通道涡位于展向1/3位置,远离上端壁,且强度明显大于下通道涡。随着马赫数增加,叶栅出口流动损失增加了15%。大子午扩张涡轮端壁曲率影响近端壁叶片的压强分布和变工况敏感性,优化端壁曲率将有助于流动状态的改善。     

超声速涡轮叶型全局气动优化设计

针对涡轮叶型全局优化设计计算时间长、样本空间大等难点提出一种可行的优化设计方法,该方法将控制叶型的17个参数作为优化变量,采用第二代多目标遗传算法进行全局自动寻优。基于此方法,搭建了涡轮叶型全局优化设计平台。利用此平台,分别采用轴向稠度固定和自由优化两种方式对超声速涡轮叶型进行了优化设计。数值计算结果表明,两组优化设计叶型在设计工况下总压损失系数比参考叶型分别低19.5%和10.0%,流道中的激波强度更弱,且在变工况条件下都具有较好的气动性能。深入分析流场与激波结构后发现,外尾激波相比于内尾激波对总损失的影响更大,通过减小气流膨胀转折角或内尾激波气流转折角能够有效削弱外尾激波强度。