三维动态失速模型在风力机气动特性计算中的应用

为了适应风力机叶片的大展弦比、旋转和只有单侧叶尖涡的特点,对已建立的适用于小展弦比直机翼的三维动态失速模型进行了一系列的修正,然后用于风力机三维非定常气动特性计算。该动态失速模型所必须的气动输入参数将由动量叶素理论方法计算得到。本文将动量叶素理论、三维动态失速模型、三维旋转效应模型适当耦合起来,获得了风力机叶片的三维非定常气动特性计算方法。应用上述方法计算得到了不同工况下的风力机叶片各截面的非定常气动载荷结果,并与风洞实验结果以及用二维动态失速模型计算的结果进行比较,对计算方法和计算结果进行了详细的分析和讨论。本文模型相比于二维模型,能够更好地仿真风力机叶片的三维动态失速气动特性,尤其在叶片外部截面效果更佳。     

双垂尾不利影响改善措施研究

采用一个典型的双垂尾鸭式布局模型,利用CFD手段对垂尾导致大迎角升力减小现象的机理进行了研究.发现在低速大迎角条件下,前体脱体涡在机身后体诱导出向外的速度分量,致使垂尾处于“侧滑”气流中,增大了垂尾内侧压力,与此伴生的逆压梯度,削弱了前体涡强度和稳定性,从而使飞机升力减小.根据这一发现,设计了减小垂尾面积、垂尾前缘内偏和变化外倾角3种改善措施.通过风洞试验验证,减小垂尾面积和垂尾前缘内偏具有明显的改善大迎角升力特性的效果.     

垂直于流向的截面中2D-PIV测量误差分析

常规二维粒子图像测速技术(2D-PIV)作为重要的流场测试手段,被越来越多地应用到各种类型的流场测量中。然而采用该技术对垂直于流向的截面进行测量时会产生明显误差,该误差是由2D-PIV 原理中几何透视成像关系引起。本文分析了测量截面内有法向速度分量时透视误差产生原因及影响因素,建立了2D-PIV 测量平面内的误差模型。通过实验测试验证了误差模型的正确性,确定了影响测量误差的关键参数为测量平面的法向速度和视场的离轴角。计算结果显示,最大透视误差可达法向速度的9.3%。根据误差模型进行分析,透视误差对流向涡类流场测量的影响主要为3个方面:改变流场速度量值大小、改变旋涡形状、改变旋涡的位置。最后,提出了一些减小误差的措施,为2D-PIV应用于垂直流向截面的测量提供了改进方法。     

采用PIV研究轴流风机叶顶泄漏流动

将粒子图像测速技术(PIV,ParticleImageVelocimeter)应用到低速轴流通风机实验台上,在设计工况下对轴流通风机转子叶顶区域的瞬态速度场进行了实验测量。测量得到了三个不同周向位置下的涡量图和速度矢量图,并观测到了叶顶泄漏涡的涡旋结构。重点研究了叶顶泄漏涡位置的不稳定性和锁相平均后的叶顶泄漏涡涡心的轨迹,并将实验结果与原有模型进行了比较。结果表明:叶顶泄漏涡涡心的运行轨迹与现有模型得出的估算公式的计算结果接近,基本吻合。     

双立尾和三角翼之间的气动干扰实验研究

在北航的风洞和水洞中进行了关于双立尾与三角翼组合外形的气动特性实验研究,研究了不同位置的立尾与三角翼的干扰机理。实验选取4个不同后掠角三角翼、每个三角翼设置6种立尾位置,研究这些参数对三角翼气动特性的影响。基于实验结果的分析和比较,提出了气动干扰的机理,比较了立尾的展向和弦向位置的干扰特性,以及三角翼和立尾特性间的干扰,最后给出了最优的立尾位置。     

大迎角下机翼后掠角对近耦合鸭式布局增升及流态的影响

在风洞中利用测力及油流显示技术对不同后掠三角鸭翼和不同后掠三角机翼构成的鸭式布局在大迎角时的增升及流态特征进行了研究。通过测力给出了机翼后掠角对近耦合鸭式布局升力系数增量在大迎角时的影响规律,并通过油流显示对其影响的机理进行了探讨和分析。研究表明,鸭式布局是否增升受迎角和机翼后掠角的共同影响。在研究的迎角范围内的特定迎角下,与小后掠机翼构成的鸭式布局相比大后掠机翼构成的鸭式布局具有更好的增升效果,原因在于小后掠三角翼前缘涡随迎角变化时易于破裂,鸭翼对破裂涡,特别是完全破裂涡流态有较好的改善作用。     

边条翼布局双垂尾抖振表面脉动压力风洞实验研究

对边条翼布局双垂尾发生抖振时的表面脉动压力进行了风洞实验研究。实验在西北工业大学NF-3风洞进行。实验迎角范围:10°~40°,风速:50m/s。实验测量了垂尾内外侧表面各9处的脉动压力,并将脉动压力沿表面积分近似得到垂尾的根部弯矩响应。实验同时测量了垂尾根部应变、翼尖前缘及后缘的加速度响应。实验结果表明,通过不同测量方法得出的垂尾抖振响应规律一致,得到的垂尾抖振起始迎角相同,这表明垂尾的抖振响应是由边条涡破裂流作用在垂尾表面的脉动载荷引起的;随迎角增大,边条涡破裂流的能量不断增加,且越来越集中于低频范围,但当迎角过大时,边条涡的破裂点远离垂尾,破裂涡的能量耗散很大,从而作用在垂尾表面的脉动载荷减弱。     

DPIV系统研制及其应用

笔者在北京航空航天大学流体力学研究所多年从事系统的PIV测试技术研究,经过科研攻关成功研制出目前国内第一套完善的实时数字式粒子图像测速(DigitalParticleImageVelocimetry)系统,实现了速度场和涡量场的实时测量,而且已经成功地应用于各项流体力学的实验测量中,其中包括:1.5M超声速喷流实验、三角翼前缘涡破裂复杂流场测量实验、大型工程水洞流场校测、绕摆动圆柱卡门涡测量实验以及锥阀管道模型和漩涡分离器内部流场测量实验等[1～3]。     

基于自由尾迹和升力面方法的双旋翼悬停气动干扰计算

建立了一个同时适合于共轴式、横列式及纵列式直升机双旋翼气动干扰分析的计算方法。在该方法中,为更好地模拟气动干扰特性及桨尖三维效应,桨叶模型采用了升力面/涡格法,尾迹则使用畸变的自由尾迹模型。通过旋翼下洗速度的计算值与可得到的实验值对比,验证了计算方法的有效性。应用该方法,以横列、共轴、纵列式双旋翼为例,分别计算了悬停状态双旋翼的尾迹特性及诱导速度变化,给出了部分尾迹边界,并对计算结果进行了分析。最后,给出了几点结论。     

高负荷涡轮端区非定常流动相互作用研究

采用三维黏性非定常数值模拟方法研究了某型高压涡轮端区非定常流动相互作用,着重研究了上游静子尾迹与转子二次流的非定常作用机制,同时还分析了负荷分布、激波等对端区非定常流动的影响。结果表明,静子尾迹的非定常作用一定程度减小了转子轮毂二次流的径向涡量;尾迹对流向涡量的影响取决于尾迹沿叶高的分布,当吸力面一侧的尾迹具有与二次流方向相反的流向涡量时,二次流的流向涡量减小;非定常效应还使得转子叶片根部负荷略为减小,也一定程度上抑制了转子轮毂二次流的发展。此外,受静子尾缘激波的影响,转子叶片表面负荷分布发生明显的周期性变化,导致叶片表面承受较强的非定常力,在涡轮设计中必须考虑。另外,通过计算涡轮级中的熵增和熵产,定量地分析了端区非定常相互作用产生的损失,并得到了一些有意义的结论。