浅析高空长航时无人机的气动研究问题

叙述了高空长航时无人机的现状和作用，讨论了它的主要气动特征，评述了可行的分析、设计技术。认为XFOIL技术具备了处理边界层转捩、分离、分离泡的能力，可望在我国高空长航时无人机的气动设计中发挥一定作用。     

迎角对翼型边界层影响的实验研究

为深入了解迎角对翼型边界层的影响,开展了SD7003翼型的TR–PIV实验研究。对比了迎角为4°、6°、8°工况下翼型吸力面的平均速度、雷诺切应力等统计量的分布,并对实验数据进行了本征正交分解（POD）模态分析,详细分析了不同工况下各阶模态中的流动结构及其频谱特征。研究发现,随着迎角增大,分离泡位置向翼型前缘移动,分离泡厚度增大;分离泡内部和再附点附近存在较强的剪切运动;再附点附近有交替出现的正、反方向涡结构,而后涡结构随边界层发展不断变化;POD分解的各阶模态的能量大小与其所包含结构的尺度和模态频率有关;随着迎角增大,流场中流动结构尺度增大,流场能量的频域分布由高频向低频移动。     

离散式粗糙元诱导翼型边界层转捩的数值和实验研究

在Ma=0.6来流条件下,针对三维离散式圆柱粗糙元诱导NACA0012翼型边界层转捩问题开展了直接数值模拟(Direct numerical simulation,DNS)和油膜干涉风洞实验研究,分析了粗糙元诱导转捩的机理及粗糙元高度和相邻粗糙元间距对转捩位置的影响。结果表明,翼型表面粗糙元能够通过诱导出三维Λ涡和马蹄涡促进边界层转捩,达到转捩控制的效果。粗糙元高度和相邻粗糙元间距对边界层转捩有影响,且增加粗糙元高度和减小相邻粗糙元间距能够促进转捩。粗糙元高度对转捩的影响大于粗糙元间距,且对粗糙元后方区域影响大,对相邻粗糙元中间区域影响小。     

高超声速圆锥边界层转捩纹影显示

为发展高超声速边界层转捩的试验研究手段,在中国空气动力研究与发展中心（CARDC）超高速空气动力研究所的FD-14激波风洞上开展了基于纹影显示技术的边界层转捩特性研究。试验模型为半锥角为7°的钝锥,头部钝度R_n有2.0和0.5mm两种。试验的名义马赫数为8和10,单位雷诺数变化范围为1.6×107~4.4×107m-1,高速相机的拍摄帧频20kHz。纹影显示捕捉到了第二模态不稳定波和湍流斑的空间结构。对纹影图像的灰度分布进行了功率谱密度（PSD）分析,结果表明第二模态波长约为边界层厚度的2倍。对纹影图像序列的分析表明,湍流斑波前传播速度大于波尾,并且略大于边界层外缘速度。     

超临界自然层流机翼设计及基于TSP技术的边界层转捩风洞试验

为了实现绿色航空节能减排的目标,层流设计技术成为飞行器设计者的研究热点。对于跨声速客机而言,超临界自然层流机翼设计技术将显著减小飞行阻力,提升气动性能,减少燃油消耗和污染物排放。首先,基于高精度边界层转捩预测技术耦合翼型优化设计系统,实现超临界自然层流翼型设计;经过合理的翼型配置,形成超临界自然层流机翼。转捩数值模拟分析结果表明,超临界自然层流机翼的层流流动特性良好。然后,以比例为1：10.4的试验模型在荷兰高速低湍流度风洞进行边界层转捩风洞试验,使用温度敏感材料涂层（TSP）技术拍照获得机翼表面在不同马赫数、雷诺数和迎角工况下的层流-湍流分布。最后,通过超临界自然层流机翼边界层转捩试验结果,探讨了该类型机翼的转捩特性随来流参数的变化规律,总结了超临界自然层流机翼设计的关键因素。此外,该模型也可用来验证边界层转捩预测技术在超临界、高雷诺数工况下的预测精度。     

锯齿形转捩片触发高超声速进气道边界层转捩的大涡模拟

为促进锯齿形转捩片在高超声速进气道中的应用,以地面风洞条件下的二元进气道为研究对象,采用高精度大涡模拟方法对锯齿形转捩片在三级压缩楔面上触发的边界层转捩现象开展了研究。数值方法基于隐式亚格子模型,空间离散采用高精度通量限制型紧致格式,时间推进采用显式Runge-Kutta方法。数值模拟清晰捕捉到了边界层转捩的空间发展演化过程,并获得了统计平均流场以及流场脉动特征。数值模拟结果表明转捩片能够有效触发进气道压缩面边界层转捩;通过与等熵压缩面及单楔面数值模拟结果的对比分析,获得了转捩片触发边界层转捩的内在机理,为后续研究工作奠定了基础。     

非设计状态下尾迹输运对高负荷低压涡轮附面层的影响

为了研究非设计状态下的上游尾迹在叶栅通道内的形态演化与发展,分析尾迹与叶片吸力面附面层的相互作用,基于高负荷低压涡轮(LPT)叶型Packb对非设计状态下尾迹输运进行了研究。研究主要通过数值模拟的方法进行,使用CFX软件,利用LES模型耦合Smagorinsky亚格子模型。讨论了非定常来流0°和+10°攻角工况下,尾迹与吸力面附面层相互作用的差异。分析发现,+10°攻角工况时,尾迹对附面层转捩的促进作用较0°攻角工况时更为显著;+10°攻角工况时,尾迹与附面层的相互作用时间更长,尾迹诱导转捩的起始位置更靠上游。     

横流不稳定性实验中转捩阶段的进一步观察

对后掠平板用可控的人工激励激发基频与二次不稳定性,研究层流后掠机翼流动导致最后转捩的过程.实验中发现有两个高频二次不稳定模态出现.其中一个为最大放大率的模态,位于垂直于壁面的速度型的拐点处,属于拐点不稳定性.另一个模态位于附面层的三分之一处.高频二次不稳定模态的增长比基频及其谐波要大的多,但与后者类似具有饱和阶段的出现.高频二次不稳定模态对最后转捩的影响主要体现在与其他扰动的相互作用,并导致出现紊流状态宽带频谱.     

自然层流机翼的翼套试验及数值方法

基于某公务机飞行试验平台设计改装的自然层流翼套构型,以飞行试验为核心,开展了前期的数值方法和风洞试验研究。风洞试验和飞行试验均采用红外热像技术进行转捩探测。同时,使用基于线性稳定理论的e^N方法对试验构型进行了数值模拟分析,探究攻角、压力分布形态对Tollmien-Schlichting(T-S)波失稳主导转捩的影响机制。研究结果表明,风洞试验构型在-2°～2°攻角范围内上翼面维持大范围的顺压力梯度,T-S波的增长得到了有效抑制,实现了50%c(弦长)以上的层流区,转捩发生在压力恢复区;在4°攻角工况下,头部出现明显的逆压力梯度,T-S波快速增长并发生失稳,转捩位置提前至20%c。飞行试验条件下的结果表明,压力分布形态对T-S波的影响机制与风洞试验一致;在高湍流度低雷诺数的风洞试验条件和低湍流度高雷诺数的飞行试验条件下,采用湍流度和Mack公式确定T-S波临界N因子,得到的转捩预测结果与试验结果均吻合较好,表明本文数值方法具有良好的预测精度和鲁棒性。     

轴对称短舱自然层流优化及转捩敏感性分析

大涵道比涡扇发动机短舱摩擦阻力大,高雷诺数下通过自然层流技术（NLF）减小短舱表面摩擦阻力是降低短舱总阻力的一种有效措施。为了提高气动优化效率,发展了一种进化/确定性混合优化算法,并结合六阶形状类别变化函数（CST）参数化方法和■转捩模型,对高雷诺数几何约束下的轴对称短舱进行自然层流优化设计。为了分析层流范围的变化规律,对设计的轴对称层流短舱开展了局部几何控制参数、流量系数（MFR）和马赫数（Ma）的敏感性研究。结果表明：混合优化算法能够显著提高优化效率,并成功应用于短舱气动外形优化中。在单变量几何参数影响下,短舱外形头部区域对压力分布和层流范围的影响最为显著,是层流设计的重点关注区域。流量系数和马赫数的变化使得层流范围波动较大,设计的短舱在设计点 MFR=0.7和 Ma=0.85附近,能够保持20%以上范围的层流。