超临界碳氢燃料流动不稳定的频域分析与数值模拟

再生冷却通道中的流动失稳是高超声速飞行器发动机热防护技术中的核心问题之一。为研究超临界碳氢燃料在冷却通道中的流动不稳定特性，基于有限体积法及流体物性近似，发展了高效的一维瞬态模拟方法；同时，基于小扰动假设，进一步提出了用于预测稳定行为的频域分析方法。通过相关实验，验证了模型的可靠性。基于时域和频域方法的综合分析，沿内特征曲线讨论了主要失稳类型，重点分析了受密度波及Ledinegg不稳定共同影响的复合不稳定性。随后，进一步分析了工作压力和入口温度对稳定特性的耦合影响，并基于N_tpc-N_spc空间划分了稳定区域。研究发现，复合不稳定、Ledinegg不稳定以及密度波不稳定，随入口温度升高而相继消失。Ledinegg不稳定及密度波不稳定的稳定边界在N_tpc-N_spc空间具有高度相似性，而复合不稳定性的区域在较高的压力下略有缩小。     

超临界二氧化碳超声速喷管设计与性能分析

超临界二氧化碳由于其独特的物理性质而受到广泛应用。同时超临界二氧化碳真实气体效应显著，其流动机理和理想气体差别较大，因此需要设计相应的喷管。采用特征线法设计超临界二氧化碳超声速喷管，其中二氧化碳的热力学参数基于S-W方程获得。通过CFD粘性仿真进行边界层修正。分析了改变喷管入口总压、总温对喷管内流场的影响。结果显示，设计工况下喷管出口质量平均马赫数与设计值相差0.033%，喷管内流场品质较好；非设计工况下，由于温度变化会显著改变CO2的热物性参数，入口总温对喷管流场的影响比总压更大，当入口总压和总温分别降低83.33%,52.94%时，出口马赫数分别降低1.16%、提高3.23%。设计工况下喷管流场满足设计要求，非设计工况下喷管出口马赫数与设计值偏差较小。喷管具有较宽的工作域。     

缝道几何构型对翼型气动特性的影响

为深入研究翼型开缝抑制翼型吸力面流动分离的被动流动控制技术，在探讨开缝依据的基础上，针对NACA4421翼型设计了7种缝道构型，并给出了缝道构型之间的几何联系，对比分析了曲线、折线及直线3种形式的缝道对翼型失速的控制效果，发现曲线缝道能够显著提高翼型的最大升力系数和失速迎角；分析了曲线缝道构型升力系数“双峰”现象的机理，提出了一种新型导流片缝道构型，该构型利用“科恩达效应”能够全面改善基准翼型的失速特性，失速迎角推迟可达14°，最大升力系数提高122%，达到2.785，可为增升装置设计提供新的思路和参考。     

逆压区域锯齿结构翼型气动噪声特性研究

为了研究翼型在逆压梯度区域内的流动控制和气动噪声特性，在NACA0018翼型0.45～0.50倍弦长区域内设置三种锯齿结构，应用Lighthill声类比方法对比分析了翼型在不同工况下的近场和远场气动噪声特性。结果表明，逆压梯度区域内锯齿翼型的近壁面湍流强度随锯齿夹角的增大而增大，锯齿翼型流动分离点的位置比干净翼型提前，90°锯齿翼型的动压幅值降低；翼型的主要噪声源分布在翼型吸力面沿至尾流区域，90°锯齿夹角翼型在翼型弦长中点上方和前方0.5 m处的噪声分别降低了约1 dB和3 dB;增大来流速度使翼型近场的最大总声压级方向由0°变为10°;90°锯齿翼型在不同来流速度下近场和远场的降噪效果良好。     

液氮温区二维指向深冷环路热管设计与实验研究

空间二维指向机构与红外探测器配合，有利于实现对空间目标大范围的动态追踪、指向、快速定位等功能。将深冷环路热管（CLHP）与二维指向机构耦合，可以大大降低系统机构的复杂程度，实现远距离热传输，提高探测精度和转向灵活性。为此，设计研制了液氮温区二维指向CLHP。对设计流程和部件参数进行了介绍，通过伺服电机驱动实现了俯仰、偏航±90°以上的转动。通过开展热真空实验，研究了不同工作参数对超临界启动和传热极限的影响。结果表明：所设计的系统具有最大13 W的传热能力，适当提高充装压力有利于提高系统的稳定性和传热能力，增大次蒸发器辅助载荷有助于提高最大传热能力。     

下表面射流的超临界翼型气动性能分析

为探究下表面射流关键参数对超临界翼型气动性能的影响，采用雷诺平均NavierStokes(RANS)方程与Spalart-Allmaras(S-A)湍流模型进行数值模拟。通过比较基准RAE2822翼型与下表面射流翼型的流场，验证下表面射流能够在翼型后缘诱导产生逆时针分离涡，带动流线向下偏折，增加了翼型的等效弯度，同时加大前缘的吸力峰，从而提高翼型的气动性能。进一步探究射流位置、射流动量系数、射流角度、马赫数等关键参数对RAE2822翼型气动性能的影响规律。结果表明：给定状态下，下表面射流的位置越靠后，动量系数越大，翼型的气动性能越优。下表面射流在α=0°和2°时的最优射流角度为110°，在α=4°时的最优射流角度为160°，且在最优射流角度下能有效提高翼型马赫数在0.3～0.6范围内的气动性能。     

基于柔顺机构的新型可变形机翼设计方法研究

机翼翼型变体技术可以根据任务和环境自适应地改变机翼形状、厚度、弯度等重要参数,使飞机在不同飞行状态下都能取得较理想的气动特性。柔顺机构是实现机翼蒙皮光滑变形的驱动装置,相比传统液压机构具备质量特性好的优势。采用鱼骨型柔性钢架与四连杆机构实现了机翼前缘上下蒙皮向内收缩、前缘形状由钝变尖的弹性变形过程。通过设计“撞块”机构实现驱动行程的有效分解,解决了前缘尖端开口处蒙皮回收与机翼变形控制所需的驱动行程不一致的内在矛盾。变形后翼型与目标翼型误差最大位置不超过4 mm,变形过程中结构最大应力小于材料许用应力值。相比传统采用纯液压机构驱动的变形机翼设计方案,该基于柔顺机构的变体机翼结构减质14.1%。     

结冰风洞过冷大水滴试验中混合翼设计

开展结冰风洞过冷大水滴结冰试验验证了现有混合翼设计准则。结冰风洞过冷大水滴结冰试验条件采用大、小水滴两种喷嘴组合喷雾实现了与冻毛毛雨水滴质量“双峰”分布曲线非常符合的过冷大水滴结冰环境模拟。以0.50 m弦长的NACA0012翼型为原始翼型，基于面向工程、面向适航的混合翼设计准则通过求解Navier-Stokes(NS)方程计算翼面压力分布，以混合翼与原始翼型驻点位置和前缘吸力峰值尽可能重合为目标，在保证前缘附近与原始翼型相同的基础上混合翼的设计弦长缩短50%。在结冰风洞中开展冻毛毛雨环境下的结冰试验验证混合翼设计效果，结果显示混合翼型与原始翼型模型前缘表面的冰形特征基本一致，局部冰形存在少量差异，混合翼型模型表面冰形冰高略偏大。所得结论表明现有混合翼设计准则在冻毛毛雨环境下依旧适用，可供后续开展相关民机型号的过冷大水滴结冰风洞试验参考。     

翼型结冰状态复杂分离流动数值模拟综述

结冰触发的复杂分离流动将导致翼型气动性能特别是失速特性全面恶化。结冰状态气动特性的准确预测和流动机理的深入剖析依赖于分离流场结构的精确求解。随着计算流体力学特别是湍流模拟方法的不断完善，数值模拟能够更为清晰和完备地反映非定常分离流场的细节特征及物理本质、提供更加翔实和丰富的气动力数据。从雷诺平均（RANS）、大涡模拟（LES）和RANS/LES这3类典型湍流模拟方法的应用层面出发，综合评述了近年来数值模拟研究在翼型结冰状态失速特性预测与分离特征描述等方面取得的主要进展，并从高精度冰形构造、新型湍流模拟方法、深层次非定常特性、实时耦合分析等方面对现阶段研究发展的相关趋势进行总结和展望。     

结冰翼型前缘下垂变弯度容冰特性改善机制

传统容冰气动力优化设计方法难以完全兼顾常规飞行和结冰状态对翼型几何特征的矛盾需求。依据前缘下垂变弯度的思路创新性地提出了一种能有效协调和解耦翼型气动/容冰特性的解决方案。针对GLC305-944结冰翼型典型过失速状态开展了基于IDDES(Improved Delayed Detached Eddy Simulation)方法的前缘下垂前后容冰特性对比分析，表明前缘下垂后结冰翼型失速特性显著改善，前缘吸力以压力平台形式恢复，分离泡形态由大尺度全局回流退化到冰角后方的局部流动结构，湍流脉动影响范围约束于前缘近壁面有限区域内。由于前缘下垂后冰角与当地壁面组成类凹腔结构，剪切层涡系经短暂发展后能迅速在壁面附近触发掺混融合-动量输运效应，有效促进再附过程，导致时均再附点提前、混合层厚度降低、分离泡几何尺度减缩，这是容冰特性改善的主要机制。