高超声速进气道前缘钝度效应试验研究

基于一种典型高超声速二元进气道,考察前缘钝度效应对进气道边界层转捩的影响,加工了四种半径为R=0.05mm,R=0.1mm ,R=0.2mm,R =0.25mm的前缘,在FD-07风洞中开展了自然转捩及人工转捩的风洞试验。试验中采用压缩拐角压力分布特征及进气道起动相结合的方法来估计边界层转捩位置,得出了进气道压缩面边界层转捩位置随前缘半径变化的规律。试验表明在来流条件下随前缘钝化半径增加,边界层转捩位置明显后移。针对R=0.25mm时进气道不起动的情况,基于 线性稳定性理论(LST)理论设计了人工转捩条带,通过试验成功实现了转捩。      

层流翼型转捩与分离实验研究

为满足型号研制的需要，针对层流翼型实验中出现的一些气动现象，对层流翼型的转捩与分离及其对翼型气动性能的影响进行了实验研究。     

平板湍流转捩过程中Λ涡和环状涡的周围流场研究

采用高精度湍流直接数值模拟技术,对平板流动转捩过程中的涡系结构,尤其是Λ涡和环状涡附近的流场进行了详细的研究.高分辨率的数值模拟给出了实验手段无法得到的全流场信息,以及雷诺平均纳维斯托克斯方程方法(RANS)无法给出的精细涡结构信息.数值模拟在精确捕捉Λ涡和环状涡等转捩过程中典型涡系结构、上喷和下扫等典型流动现象的同时,发现了一些与传统认识所不同的现象:1)Λ涡并不是当地涡量集中的地方;2)环状涡的附近存在一个速度显著大于远场来流速度的区域.这些现象对传统湍流转捩理论提出了挑战,并引发人们对湍流生成与维持机理的进一步研究.     

强制转捩对高超声速进气道性能影响

针对一个高超声速进气道,设计了不同高度的钻石形和斜坡形转捩带,在来流马赫数为6,攻角为1°工况下,通过风洞试验与三维数值模拟相结合的方法,研究了转捩带对进气道壁面热流密度、压强、隔离段入口处总压和马赫数分布的影响.数值计算与风洞试验在壁面压强、进气道总压和马赫数上吻合较好,在壁面热流密度上相差约35%.研究结果表明:钻石形和斜坡形转捩带都可以有效地实现强制转捩.此外,随着转捩带高度的增加,转捩区域逐渐前移,直至转捩带后缘.对于已经起动的进气道,转捩带对进气道下壁面静压几乎不产生影响,但会使得隔离段下壁面附近的总压和 马赫数有所下降,从而导致从隔离段入口直至整个隔离段的质量加权总压和流量均下降3.5%左右,而质量加权马赫数的下降量则并不明显,在1%左右.      

新型人工转捩技术及风洞试验验证

给出了一种新型分布型人工转捩粗糙元设计技术,该技术解决了传统人工转捩方法在跨声速风洞试验中存在的效率低、可靠性和重复性差等问题。通过理论研究确定了该转捩技术的形式,包括粗糙元形状、高度和排列方式等技术参数以及针对不同模型的设计方案;同时对翼型模型(NACA0012)和全机模型(GBM-01或AGARD-B标模)在不同马赫数和迎角下分别进行了测压和测力风洞试验,借助升华法,对人工转捩技术的边界层转捩效果进行了验证研究。结果表明:在不同模型上使用不同的设计方案,该转捩技术可以得到可靠的固定转捩效果,并获得具有大气飞行中高雷诺数特点的气动力结果。     

跨声速涡轮导叶吸力面换热特性数值研究

为了了解涡轮导叶吸力面在跨声速条件下的换热特性,采用数值模拟的方法,分析了出口马赫数对平面叶栅内流场与换热特性的影响,以及气膜出流对吸力面气膜冷却特性的影响。结果表明,跨声速条件下,斜激波导致的逆压梯度导致了吸力面层流边界层分离和转捩;亚声速条件下,吹风比从0.5增大至1.5时,转捩位置前移了约0.1倍弦长;跨声速条件的转捩位置随吹风比增大未发生变化,但是边界层分离现象被抑制,分离泡的尺寸明显变小。在吸力面小吹风比更容易获得更高的冷却效率;边界层的分离导致冷效率分布不同于亚声速条件,在分离区冷却效率迅速降低,在吹风比0.75时降低约50%。     

高负荷低压涡轮时序效应数值模拟与试验验证

为了研究上下游叶片的相位对低压涡轮流动的影响机理，使用商用 CFX 软件进行数值模拟，并辅以试验校核。选取了 0°和180°2个流动相差较大的相位，分析边界层分离与转捩、边界层积分参数，对吸力面的载荷系数、壁面剪力、附面层形状因子及 动量厚度等进行对比，并从边界层的瞬态流动分析着手，在1个尾迹扫掠周期内对Klebanoff条纹、K-H涡等结构进行分析。结果 表明：不同相位的流动特性差异主要取决于势流的压力扰动与速度扰动的相位，这将决定尾迹诱导转捩与寂静区之间的主导关 系。当压力扰动与速度扰动同相时，寂静区处于逆压梯度逐渐增强的阶段，保持层流的能力被削弱；反之当二者异相时寂静区强 度较大，尾迹诱导转捩带来的湍流损失可以被寂静区平衡。通过瞬态分析可知，0°相位尾迹诱导全展向K-H涡的卷起，全展向涡 的破碎会带来较大的能量耗散，且其诱导的Klebanoff条纹强度较大，二者共同作用使得尾缘动量损失较大。     

激波风洞边界层转捩测量技术及应用

高超声速边界层转捩对摩阻、传热等有重要影响。在高超声速飞行器研制中,迫切希望能精确预测和控制边界层转捩。激波风洞作为高超声速气动热环境试验的主要地面模拟设备,是研究高超声速边界层转捩的重要设备。但激波风洞原有测量技术适用于工程型号试验,需要依据高超声速边界层转捩特点进行适应性改造和升级。依据高超声速边界层转捩过程中的热流、压力、密度等物理参数变化,发展了薄膜热流传感器测热技术、温敏热图测量技术、高频脉动压力测量技术、高清晰度纹影显示技术等适用于激波风洞的边界层转捩测量技术。并针对头部钝度0.05 mm的半锥角7°尖锥模型,在中国空气动力研究与发展中心Ø2 m激波风洞（FD-14A）马赫数10、单位雷诺数1.2×10⁷/m的流场条件下开展了边界层转捩试验。采用多种转捩测量技术同时进行测量,获得尖锥模型表面边界层转捩情况、边界层脉动压力频谱特征、边界层内清晰的第2模态波和湍流斑纹影图像,不同测量技术获取的试验结果可相互印证,线性稳定性理论分析结果与试验结果相吻合。     

基于HIFIRE-5外形的高超声速飞行器

采用数值仿真方法,开展了高超声速飞行器（HIFIRE-5）的流场特性计算研究,精确捕捉高超声速流场中的波系、背流面横向流动及表面流动现象,并对激波及横向流动其机理进行了详细分析。结果表明,所用数值计算方法有效,横向流动和横流失稳是产生流场三维涡系结构的主要原因,该认识可为类似外形高超声速飞行器的气动外形设计、优化及气动特性分析提供参考。