基于数值模拟的复杂地形风场风资源评估方法

与采用线性模型的WAsP软件相比,CFD方法具有可以逼真模拟复杂地形三维风场大气流动的优势,因此成为了复杂地形风场风资源评估的发展方向。为了把CFD软件包FINE/TURBO和带有壁面函数的k-ε湍流模型用于复杂地形地貌风电场的风资源评估和微观选址中去,本文以南澳岛风场作为研究对象,在中性大气条件假设下,对风场区域以30°风向为间隔进行数值模拟。研究采用不同入口边界条件对数值计算结果的影响。比对模拟结果发现,风场中的风加速与湍流强度基本上不随来流条件发生变化。基于这一规律,结合全年测风数据评估风场的风资源分布状况,建立了一套风资源评估的数值模拟及后处理方法,为工程实际提供了有力参考。     

基于大涡模拟的压缩拐角激波/边界层干扰研究

为了提高对激波/边界层相互干扰的基本理解,采用大涡模拟(LES)对来流马赫数Ma=2.9,转角为24°的压缩拐角激波与湍流边界层相互干扰进行了研究。采用回收/调节方法作为入口湍流生成技术,并在超声速平板湍流边界层上进行了验证。采用涡识别方法和数值纹影图等流动显示方法,研究了干扰区内激波与边界层相互干扰的结构变化特征。通过对比分析湍动能和雷诺正应力在不同流向位置的分布规律,研究表明:经过激波干扰后湍动能主要集中在边界层的外层,并在拐角附近形成一个低湍动能区;雷诺正应力流向分量和法向分量在边界层内的分布呈现为单峰结构,而展向分量呈现为双峰结构。运用间歇因子对分离激波的大尺度流向运动进行研究,发现激波围绕着平均分离点作前后运动,运动的尺度等于进口湍流边界层厚度的72%。证实了拐角下游G?rtler流向涡对的存在,并对其展向分布和空间演化特性进行了详细研究。     

V形前缘对激波入射边界层流动影响的数值模拟与分析

为指导V形溢流唇口下游的进气道内部流动分析,采用数值模拟开展V形尖前缘对二维斜激波入射平板边界层流动的影响研究。以气流偏转角6°的二元楔面为基准激波发生器,设计了展向气流收缩角α(0°~60°, 0°对应二元构型)的V形前缘构型,开展对比研究。结果表明,V形前缘构型使得激波入射位置沿展向不均匀、流动具有明显三维特征,并且干扰区壁面压强上升、分离区尺度明显增大。在α=0°~60°范围内,干扰区流动的不均匀程度、分离区尺度随α增大单调增加。进一步分析表明,V形前缘构型干扰具有中间平直、侧边斜掠的耦合入射特性,体现为对称面壁面压强符合自由干扰理论,侧边斜掠入射区参数符合斜掠干扰的锥形流特征。对比二元与α=45°构型的无粘模拟结果,V形前缘会诱导展向两侧对称的斜掠激波、并在对称面相互干扰产生平直的“桥”激波,这使得激波入射位置沿展向不均匀并偏向下游。其中对称面处平直入射激波压升比(2.49)高于二元构型结果(2.24),侧边斜掠激波强度与二元构型基本一致。这些因素综合导致V形前缘构型的分离尺度增大。     

红外热像边界层转捩探测的飞行试验应用研究

针对飞行试验层流测试,开展基于红外热像的边界层转捩探测技术应用研究。分析了高空飞行条件对红外测试的影响因素,包括光路布局、蒙皮表面处理工艺、蒙皮加热等,有针对性地提出红外测试方案。在此基础上,以某民用飞机为试验平台,开展飞行演示验证试验,飞行海拔高度范围5km至7km,马赫数范围0.5至0.65。进行了有/无蒙皮加热、有/无太阳等状态的机翼表面热图采集,对比分析蒙皮加热、太阳辐射等因素对红外转捩探测信噪比的影响特性,通过多个架次试验观测分析机翼前缘污染对转捩的影响特性。为消除由前缘污染物诱发湍流楔等因素导致转捩位置误判,提出了一种基于统计分析的机翼转捩位置判定方法,提高了转捩探测结果的可靠性。本文提供了三组真实飞行条件下的边界层转捩位置数据,雷诺数达到1.5×107。演示验证飞行试验结果表明,通过蒙皮内部加热方式可有效提高红外热图信噪比,利用固定转捩方法验证探测结果,使用本文方法测得的转捩位置偏差量不超过弦长0.5%。     

高超声速三维边界层横流转捩的数值研究

横流失稳是高超声速三维边界层转捩的主要机制。然而到目前为止,由横流失稳导致高超声速三维边界层转捩的数值研究还不多见。本文采用直接数值模拟方法计算了马赫数6、后掠角45°钝板边界层中定常横流涡的演化,在此基础上引入高频二次失稳模态,计算了二次失稳模态的非线性演化,直至湍流发生。计算结果表明:横流定常涡的非线性作用引起平均流修正,可使壁面摩擦系数曲线有一定程度的抬升。而高频二次失稳波的增长导致低频及定常扰动快速增长,促使壁面摩擦系数急剧抬升,同时饱和横流涡结构破碎,最终触发转捩发生。     

唇罩激波/边界层干扰的壁面鼓包/次流循环组合控制方法研究

为了对超声速、高超声速进气道内多道连续唇罩激波/边界层干扰现象进行有效控制,提出了一种壁面鼓包/次流循环的组合控制方法,并对相关流动机理及参数影响规律进行了研究。结果表明:通过小尺度鼓包迎风侧弱压缩波束的预增压效应,实现对第一道唇罩激波/边界层干扰的控制;同时,在压差力的驱动下,鼓包下游第二道唇罩激波作用导致的边界层分离包内的低能流进入次流循环装置,并从上游压缩面上的吹气缝喷出,实现对第二道唇罩入射激波的控制。在鼓包与次流循环装置的共同作用下,两道唇罩激波产生的边界层分离被有效隔离并分别控制。同时,本控制方案不会造成进气道捕获流量的损失。相较于无控制方案,鼓包/次流循环组合控制方案可以在来流马赫数为3.95~6.95内实现对多道连续唇罩激波/边界层干扰的控制,改善内通道中的流动,提高进气道的总压恢复性能,最大改善幅度可以达到15.7%。此外,为保证控制效果,应选择合适的吹气缝和引气缝位置。     

分布式边界层吸入推进系统的建模与分析

机体后部边界层吸入技术可显著改善飞机的燃油经济性,但目前尚未建立推进系统设计与分析方法。针对类似N3-X飞机的分布式边界层吸入推进系统,采用基于边界层积分方程的数值分析方法,引入功推比参数,详细分析边界层状态和推进系统参数对系统性能的影响,从而为推进系统设计提供理论和数据支撑。通过基准状态与N3-X的对比,验证了计算方法的可靠性。分析表明,当吸入边界层占比为50%左右时推进系统能耗可降低4%,边界层形状因子越小或者动量厚度越大,能耗降低越多;进气道扩张比对功推比的影响不大;随着进气道入口马赫数增大、风扇压比降低、风扇效率增大、风扇损失降低或者喷流速度降低,功推比都会下降。     

边界层抽吸效应对分布式推进系统气动性能影响数值研究

为探究边界层抽吸（BLI）效应对飞机的气动性能影响,采用基于沿流线体积力模型的飞机/发动机一体化数值模拟方法对某分布式推进系统进行了计算和分析。结果显示,BLI效应主要影响飞机中心体部分及发动机外整流罩的气体流动,对翼身融合体（BWB）的融合段及外翼段的升阻力影响较小。保持飞行条件和飞行攻角不变,飞机的升、阻力系数均随着无量纲化的发动机流量增加而增大,存在最佳无量纲化的发动机流量对应最大升阻比。发动机的安装位置直接影响机身表面的局部超声区和整流罩外的激波分布,布局在机身尾缘处会获得更好的升阻比,最大升阻比对应的无量纲化的发动机流量为0.65。      

压气机叶片钝头前缘对边界层气动影响

由于加工误差、外物损伤等原因,压气机叶片前缘容易产生钝头变形。为分析其带来的影响,使用SST湍流模型并结合γ-θ转捩模型进行了数值模拟。通过叶片吸力面边界层形状因子、法向平均间歇因子和叶栅出口总压损失系数等参量,研究了钝头前缘对边界层发展所带来的影响。同时针对一种前缘曲率连续的改进叶型进行了研究。结果表明在很宽的攻角范围内,压力面边界层受钝头变形影响极小。吸力面边界层受影响程度则会随着攻角增大而提高,当攻角超过一定范围,钝头前缘会显著改变边界层发展,影响整个主流流场。     

等离子体激励控制激波与边界层干扰流动分离数值研究

针对高超声速进气道激波与边界层干扰流动分离控制问题,提出了一种低功率重频非定常激励方式,并基于雷诺平均Navier-Stokes(N-S)方程,从唯象学的角度出发,将等离子激励简化为功率密度源项,对比研究了定常与低功率重频非定常等离子体气动激励的作用机理与控制效果。结果表明:定常激励的能量沉积作用对于激波控制非常有效,并可诱导出斜激波,但是对于流动分离控制而言,其能量沉积显然过于强大,反而会使流动分离更加严重,无法满足控制要求;当采用低功率重频非定常激励方式时,对于不同功率密度的情况均存在最佳激励时长与频率,当功率密度为5.0×109W/m3时,最大射流速度可以达到895m/s,并且可以在一定程度上减弱激波与边界层干扰流动分离。