大型客机环境控制技术——王浚院士访谈

问:处于大型飞机市场垄断地位的波音和空客两大公司对环境控制系统非常重视,并投入了大量的资金进行研究,环境系统的重要性由此可见一斑.请您介绍一下大型飞机上环控系统的重要性具体体现在那些方面?     

放宽静稳定电传客机纵向短周期品质评定方法

民用客机强调飞行的安全性和舒适性,由于设计与使用的特点,其短周期模态的自然频率、操纵灵敏度与带宽均较低,时间延迟较大,且一般采用不同于军用运输机的控制律构型。提出以军用规范作为参照的电传客机飞行品质评定及适航审定方法,是现代民用客机飞行控制律设计的关键问题。为改善某放宽静稳定构型客机的短周期飞行品质,设计了迎角、C^*和过载构型飞行控制律。按咨询通告AC25-7A所给出的操纵品质等级评定方法(HQRM),采用等效系统评定法、高阶频域法和高阶时域法评定了闭环飞机的短周期飞行品质及适航符合性。结果表明,军用规范条款对时延和带宽的限制对于客机可适当放宽。对于迎角构型,等效系统参数准则、带宽准则和俯仰速率响应准则均适用;过载构型评定应采用等效系统参数准则、俯仰速率响应准则;C^*属非常规响应构型,应采用带宽准则和俯仰速率响应准则评定。     

支板喷射超声速湍流燃烧的大涡模拟

为了发展可行的超声速湍流燃烧大涡模拟方法,将设定型PDF(Probability Density Function)模型与LES(Large Eddy Simulation)相结合以封闭亚格子湍流-燃烧相互作用,并将模型用于支板喷射超声速湍流燃烧流场的数值模拟。分别对冷流及燃烧流场进行了模拟,计算结果与实验测量符合较好,表明了所采用方法及模型的可行性。冷流条件下,大尺度湍流涡通过卷吸、拉伸运动主导支板尾迹区的近场混合,并通过破碎过程影响远场混合。燃烧条件下,回流区尺度扩大,剪切层中形成的高温燃烧产物通过大涡卷吸以及回流区末端对流作用进入回流区并与其中的燃料喷流相互作用,使部分燃料预热升温并进入回流区两侧剪切层与主流空气混合、燃烧,从而实现火焰稳定。在薄反应剪切层及大尺度反应涡的边界区域,LES网格不足以直接求解湍流与燃烧的相互作用,PDF模型给出了较强的亚格子脉动。     

半柔壁喷管初步实验研究

为了验证跨超声速风洞半柔壁喷管的气动设计结果,在试验平台上经过对喷管的动调,完成了半柔壁喷管的性能测试研究。得到如下初步结论：所使用的半柔壁喷管气动设计方法有效可行,马赫数调节范围及喷管流场均匀性指标达到设计要求;通过对喷管的动调,喷管第一菱形区的马赫数均方根偏差可降低30％～40％;在风洞吹风过程中,可实现喷管马赫数的连续变化功能,在喷管型面调节速度适当时,试验段流场均匀性指标与喷管固定型面时相当。     

超声速涡轮动叶设计方法研究

研究了基于2维等熵特征线理论的超声速涡轮叶栅设计方法,通过编程开发了超声速涡轮转子叶栅设计软件,该软件可根据进、出口马赫数及进口气流角设计出需要的超声速涡轮转子叶栅。在此基础上应用FLUENT详细地分析了涡轮转子叶栅流场。结果表明:该流场分布合理,未出现激波、分离等现象,且在高载荷系数下具有较高效率。     

超声速溢流条件下二元超声速进气道附加阻力计算

通过几何关系导出了单楔、双楔和三楔超声速进气道在零攻角及有攻角时的附加阻力系数计算公式,并进一步得出了N-1楔进气道的附加阻力系数计算通用公式.通过算例研究分析了飞行马赫数、飞行攻角及进气道总转角对附加阻力的影响.分析表明,进气道在超声速溢流条件下,附加阻力只同飞行马赫数、攻角及各楔面转角有关;附加阻力随飞行马赫数增加而减少,随攻角及进气道外压缩面总转角增大而增大;对于加速爬升用冲压发动机而言,设计时应注意减少附加阻力,并结合弹道、气动外形合理选择攻角.     

超声速/高超声速来流中侧向喷流干扰流场数值模拟

针对姿态控制系统采用侧向喷流的小型固体运载火箭,开展超声速/高超声速来流中侧向喷流干扰流场数值模拟研究.通过数值求解三维可压缩Navier-Stokes(N-S)方程,模拟了侧向喷流干扰流场,分析了干扰流场结构,研究了攻角、高度、马赫数、侧喷发动机真空推力、喷口形状等因素对力/力矩放大因子的影响.研究结果标明,侧向喷流与来流相互作用,使流场结构十分复杂,存在激波、压力平台效应和环绕效应等干扰特性,攻角、高度、侧喷发动机真空推力等因素对力/力矩放大因子均存在不同程度影响.     

超声速流场中侧向射流的数值研究

通过数值方法研究拱柱体上侧向射流与超声速来流的相互干扰,为侧向射流喷管出口横截面几何形状的设计提供依据,实现高速飞行器机动飞行的姿态控制。采用多块嵌套网格并行算法,数值求解Navier-Stokes方程以及k-ω湍流模型,分别对四种不同横截面形状(相同面积的圆形、椭圆形、楔形以及倒置楔形)的射流喷管出口形成的流场进行了研究。圆形喷管出口的流场数值计算结果与实验结果相一致,表明本文采用的数值方法可靠以及网格分布合理。对比物面压力分布和射流干扰放大因子发现,对于长轴与来流垂直的椭圆形喷管出口,在射流上游一侧的物面附近形成较大的分离区以及较强的激波,由此产生的高压区有利于侧向射流对飞行器姿态的控制。     

Investigation of lateral-directional aerodynamic parameters identification method for fly-by-wire passenger airliners

A new identification method is proposed to solve the problem of the influence on the loaded excitation signals brought by high feedback gain augmentation in lateral-directional aerodynamic parameters identification of fly-by-wire（FBW） passenger airliners. Taking for example an FBW passenger airliner model with directional relaxed-static-stability, through analysis of its signal energy distribution and airframe frequency response, a new method is proposed for signal type selection, signal parameters design, and the appropriate frequency relationship between the aileron and rudder excitation signals. A simulation validation is presented of the FBW passenger airliner＇s lateral-directional aerodynamic parameters identification. The validation result demonstrates that the designed signal can excite the lateral-directional motion mode of the FBW passenger airliner adequately and persistently. Meanwhile, the relative errors of aerodynamic parameters are less than 5%.     

二维凹腔超声速流动的混合RANS/LES模拟

基于Menter的k-ω SST湍流模型构建了一种混合RANS/LES模拟方法,通过采用一个与到壁面距离相关的衔接函数将处理近壁区的SST模型过渡到处理主流区的Yoshizawa一方程亚格子模型.利用此方法对用于超燃冲压发动机的凹腔的二维超声速流动进行模拟,模拟结果再现了二维凹腔剪切层的拟序结构,计算得到的凹腔自激振荡频率、时均统计的压力分布以及压力剖面与实验结果吻合较好.