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。     

Φ3.2 m风洞共轴刚性旋翼试验台研制

为满足共轴刚性对转旋翼气动特性及流动机理研究的风洞试验需要,在中国空气动力研究与发展中心Φ3.2 m风洞开展了共轴刚性对转旋翼试验台（以下简称共轴旋翼试验台）研制。该试验台可开展Φ2 m量级双旋翼模型的桨尖马赫数相似试验,是研究双旋翼构型高速直升机气动特性的重要试验设备。采用上、下旋翼模型独立支撑、单一电机驱动,实现了同步反向旋转、同步改变旋翼轴倾角、旋翼总距、旋翼周期变距等远程实时控制功能;通过设计计算-测试-调节的迭代,解决了试验台台体的动力学特性匹配问题;合理选择设计参数,解决了传动系统稳定性问题;利用该试验台获得的某旋翼模型风洞试验结果,拉力系数的重复性精度优于0.58%,扭矩系数的重复性精度优于0.11%。     

超声速喷管起动过程激波结构演化特征

通过改变进出口压比,对马赫数2.7的二维对称拉瓦尔喷管流动进行了试验研究,给出了超声速喷管起动过程中的激波结构演化特征。在试验过程中,固定喷管喉道出口面积比,改变喷管上下游压比,使喷管起动激波从喉道发展到喷管出口处,逐渐过渡到设计工况。在起动激波向下游发展的过程中,喷管内流动经历了教科书上给出的理论过程:喉道正激波、扩张段内正激波、喷管出口马赫反射、喷管出口规则反射、设计工况等;但由于附面层的存在,每一个过程与无粘情况下的激波示意图都有所不同。比如,试验中捕捉到的激波串在向下游的移动过程中,出现的由λ型激波向Х型激波的转变,以及激波串非对称现象的出现等。基于纹影和剪切敏感液晶摩阻显示技术获得了起动激波串的首道激波的三维特征。     

侧滑角对鼓包诱导曲面激波/边界层干扰特性的影响

利用仿真方法对侧滑条件下设计马赫数为2的三维壁面鼓包诱导流场进行了研究。结果表明:随着侧滑角的增大,迎风面的展向压力梯度增大,鼓包表面高压中心向迎风面偏移使得迎风面前缘旋涡强度增强,迎风侧出口总压恢复损失,最终导致鼓包下游流场畸变增加。同时鼓包表面流动拓扑结构表明,随着侧滑角的增加,迎风面分离区的准锥形相似特性增强,而背风面由准锥形相似逐渐发展为准柱形相似。      

过冷大水滴条件下结冰相似准则

虑到中国现有结冰风洞在过冷大水滴(SLD)结冰条件模拟能力方面的局限,发展SLD结冰风洞及其相应的缩比方法迫在眉睫。研究了大水滴运动机理,并依据绕流流场相似、水滴运动和撞击特性相似、结冰过程热力学特性相似原理,提炼出SLD结冰条件下的6种相似缩比准则,利用结冰数值模拟软件FENSAP-ICE对所提相似缩比准则进行筛选与比较,从而基于结冰相似百分比量化判断准则找出给定条件下的最优准则法。结果表明:考虑SLD运动特性的撞击参数与ONERA法相耦合的方法以及撞击参数与Ruff法相耦合的方法的计算结果与实际成冰构型吻合良好;此外,撞击参数与ONERA法相耦合的方法在计算直径为171 μm的SLD时优于其他。      

跨声速风洞模型主动减振系统试验研究

为解决跨声速风洞测力试验模型的俯仰振动问题,研制了一套主动减振系统。该系统利用了模型/天平/支杆系统的响应特性,采用主动控制方法,以天平信号作为输入,采用速度负反馈,使用安装在支杆后端主动接头内的压电陶瓷作动器来抑制模型振动。地面试验结果表明,主动减振系统使模型/天平/支杆系统的俯仰一、二阶阻尼比分别提高20.8倍和12.8倍。风洞试验结果显示,法向力和俯仰力矩振动幅度分别下降71.0%和57.5%,风洞试验结果还表明主动减振系统对气动系数的影响相对较小。主动减振系统在多个模型的风洞试验中也得到验证,显示出良好的减振性能和模型适应性。     

飞机尾流观测研究进展

飞机尾流观测试验是研究飞机尾流演化耗散行为的基础。受到不同大气环境的影响,针对巡航、进近等阶段的飞机尾流观测具备一定的挑战性。本文综述了以风洞和拖曳水池为主的飞机尾流实验室观测,以及以激光雷达及微波雷达为主的飞机尾流现场观测的研究成果和研究进展。尾流的风洞观测试验能较好地实现对近区内飞机尾流卷起、发展、脱落,特别是对近区内尾流合并过程(包括飞机翼尖涡、襟翼涡、水平尾翼涡、发动机喷流间的合并)的观测;尾流的拖曳水池观测试验能较好地实现对飞机尾流在扩展近区、及中区内演化过程的观测。尾流的现场观测试验能有效地获取飞机尾流在真实大气背景场中的演化耗散过程,从而为研究不同大气背景条件对飞机尾流的影响,并进而建立飞机尾流动态间隔标准提供重要参考。     

双后掠乘波体的非线性升力增长

基于密切锥的双后掠乘波体是定平面形状乘波体的典型应用,除了具有良好的宽速域性能,其升力在高超声速大迎角下的非线性增长也是值得研究的现象。对比双后掠乘波体与单后掠乘波体的气动性能,发现双后掠外形比同等面积的单后掠外形具有更强的非线性增升效应,而且随着马赫数增加,其效应不断增强。分析乘波体不同部件的气动力,发现这种增升主要来自下表面,上表面贡献很小,指出相关学者提出的"涡升力"观点存在问题。本文研究表明,双后掠乘波体升力随迎角的非线性增加,与后掠角对激波附着的影响有关：后掠角越小,激波越难脱体,只要激波附着,参考斜激波关系式,波后的压力随迎角的增长就是非线性的,导致升力增长非线性;而激波脱体,升力增长则趋于线性。     

单边膨胀喷管内流动分离非定常特性

结合聚焦纹影和动态压力测量技术,对基于特征线法设计的单边膨胀喷管(SERN)不同落压比(NPR)条件下喷管内流场结构和壁面压力进行了试验测量,通过壁面压力时域和频域综合分析获得了喷管内流动分离非定常特性。结果表明:过膨胀状态下单边膨胀喷管内流场结构具有明显的非对称特征,喷管上壁面流动分离模态为受限激波分离(RSS),而下壁面流动分离模态为自由激波分离(FSS);相比于FSS模态,RSS模态下出口附近壁面压力振荡更剧烈。喷管上、下壁面压力标准差峰值均在分离点附近,且概率密度函数分布向一侧偏斜或出现双峰现象。RSS模态下,激波运动呈明显低频特性;FSS模态下,激波非定常特性不仅受回旋区压力扰动的影响,且受分离剪切层的影响。      

结冰云雾参数对冰与固壁间剪切强度影响的初步研究

基于结冰风洞实验段,建立了冰与固壁间黏附界面剪切强度测量实验装置,获得了合理的剪切强度范围。在0.3 m×0.2 m结冰风洞实验段内开展了冰与固壁间黏附界面剪切强度的测量实验。掌握了结冰环境温度、平均水滴直径等结冰云雾参数对冰与固壁间黏附剪切强度的影响规律。研究表明:结冰环境温度为-15~-10 ℃间出现了剪切强度极大值。来流速度越大,水滴的惯性力越大,水滴间的间隙越容易被填充,冰与固壁间剪切强度也就越大。平均水滴直径(MVD)为35 μm附近出现了剪切强度极小值,水滴直径越小,水滴之间的间隙就越小,结冰就越致密。水滴直径越大,水滴越容易发生平铺,水滴之间的间隙就容易被填充,反而造成剪切强度增大。