Advances in critical technologies for hypersonic and high-enthalpy wind tunnel

Hypersonic and high-enthalpy wind tunnels and their measurement techniques are the cornerstone of the hypersonic flight era that is a dream for human beings to fly faster, higher and further. The great progress has been achieved during the recent years and their critical technologies are still in an urgent need for further development. There are at least four kinds of hypersonic and high-enthalpy wind tunnels that are widely applied over the world and can be classified according to their operation modes. These wind tunnels are named as air-directly-heated hypersonic wind tunnel, light-gas-heated shock tunnel, free-piston-driven shock tunnel and detonation-driven shock tunnel, respectively. The critical technologies for developing the wind tunnels are introduced in this paper, and their merits and weakness are discussed based on wind tunnel performance evaluation. Measurement techniques especially developed for high-enthalpy flows are a part of the hypersonic wind tunnel technology because the flow is a chemically reacting gas motion and its diagnosis needs specially designed instruments. Three kinds of the measurement techniques considered to be of primary importance are introduced here, including the heat flux sensor, the aerodynamic balance, and optical diagnosis techniques. The techniques are developed usually for conventional wind tunnels, but further improved for hypersonic and high-enthalpy tunnels. The hypersonic ground test facilities have provided us with most of valuable experimental data on high-enthalpy flows and will play a more important role in hypersonic research area in the future. Therefore, several prospects for developing hypersonic and high-enthalpy wind tunnels are presented from our point of view.     

舰载直升机理论风限图飞行模拟获取方法

获取舰载直升机实用风限图,仅依靠实装飞行试验或建模仿真都是非常困难的。通过起降飞行模拟试验获取理论风限图,结合少量的海上实装飞行验证试验是一种综合较优的方法。起降飞行模拟试验需要真实飞行员和高等级飞行模拟器参与,飞行模拟器中的母舰气流场数据、母舰运动可由建模仿真或试验测试得到,且必须考虑母舰气流场的非定场特性;只有当飞行员视景或视觉反馈受限时(如能见度降低时),飞行模拟器基座的六自由度运动才是必需的;用DIPES或Bedford方法量化飞行员主观操纵负担,结合记录的客观操纵数据,评判起降难度;典型的飞行模拟试验程序包含了不同风况下的进近和甲板着舰,通常每隔15°和5kn一个风况。通过起降飞行模拟试验得到的理论风限图,可以更加有效和安全地指导海上实装飞行验证试验,最终获得实用风限图。     

某型导弹动导数风洞试验和数值模拟

动导数的精确预测对于弹箭类武器的成功研制至关重要。以某型导弹动态特性的研究为对象,在FD06风洞中采用自由振动法完成动态特性试验,获取该型导弹俯仰和滚转两个方向的典型振幅衰减曲线和动导数结果;针对该型导弹,基于双时间推进法数值求解非定常N-S方程和强迫运动方程,获取该型导弹俯仰动导数和滚转动导数。结果表明:CFD计算结果与风洞试验结果有较好的一致性;在给定马赫数和攻角下CFD数值模拟结果可以为后续工程型号研制提供参考。     

基于单应性矩阵的模型迎角单目视频测量方法

风洞试验中模型迎角的精准测量是降低阻力系数误差的重要途径之一,为此,提出了基于单应性矩阵的模型迎角单目视频测量方法。该方法通过两个单应性矩阵,获取试验过程中相机实时位姿和标记点物方空间位置坐标,应用坐标旋转关系,完成试验模型的迎角测量。数值仿真试验结果表明：迎角测量误差与待测标记点到风洞壁板间的距离偏差近似为线性关系,因此,当标记点不满足共面条件时,可根据该特点进行测量误差修正。静态标定和风洞迎角测量试验结果表明：修正系统误差后,迎角实测数据的测量准度在0.01°以内,精度不超过0.012°。本文方法易于实施,工程实用价值强。     

尖侧缘机身布局的俯仰力矩特性及扰流板控制

针对尖侧缘机身布局在大迎角下存在的正俯仰力矩（抬头力矩）问题,通过风洞试验,首先研究了俯仰力矩的迎角分区特性及流动演化规律：线性增长区（迎角为0°~15°）,俯仰力矩线性增加,全机从附着流到形成进气道前缘涡和机翼涡;非线性增长区（迎角为17.5°~32.5°）,俯仰力矩非线性增加,机头涡出现,机头涡和进气道前缘涡逐渐增强,机翼涡增强后破裂;衰减区（迎角为35°~65°）,俯仰力矩逐渐减小,机头涡增强后破裂,进气道前缘涡破裂发展,机翼涡完全破裂。其次,发现了机身前体是产生正俯仰力矩的主要来源,机头涡是导致大迎角下正俯仰力矩的主控流动。当迎角为40°时,前体各截面正俯仰力矩在进气道前缘处达到最大,主要是由于该处机头涡诱导产生了较强的法向力。最后,提出了大迎角机身扰流板控制技术,产生了较好的控制效果。当迎角为40°时,扰流板可使正俯仰力矩减少62%,其原因是扰流板降低了机头涡涡量及其诱导产生的法向力,减少了机身前体对正俯仰力矩的贡献。该控制技术的缺点是扰流板会带来一些升力损失和附加阻力。基于尖侧缘机身参考宽度的雷诺数为2.59×10⁵。     

一种引射增强型二次喉道新方案的数值模拟

为提高大型超声速风洞的运行经济性,设计了一种通过引射低总压冷介质提高扩压性能的新型二次喉道扩压器,其结构特征是在扩压器收敛段前方增加侧壁凹槽,在凹槽前沿位置引入低总压常温空气作为冷介质,通过引射扩散作用在扩压器壁面形成气膜,调节二次喉道实际流通直径,较大程度上增强二次喉道的静压恢复能力,同时又降低二次喉道壁面热负荷,冷却壁面。数值验证结果表明,所设计新型二次喉道方案可通过调节引射气量自适应较宽范围的运行条件,有效隔离扩压器壁面直接接触高温燃气,同时提高了扩压能力,节省后段接力引射器的主动流流量近30%,对风洞运行经济性提升十分明显。     

2.4米跨声速风洞大展弦比飞机测力试验技术研究

针对大展弦比飞机的气动布局特点,在2.4米跨声速风洞中开展了大展弦比飞机测力试验技术研究。该项研究建立了大升阻比高精度天平设计技术和模型支撑系统设计平台,研制了专用大升阻比高精度测力天平和模型支撑系统。在国内高速风洞中建立了大型跨声速风洞模型设计新准则。研究结果表明:所提出和制定的方案是科学合理的,为我国大飞机研制提供了可靠的技术支撑。     

台风多发区复杂场地设计风荷载参数比较

确定长大、高耸柔性结构设计风速是抗风设计的首要内容。对于我国东南沿海椒江入海口复杂场地条件,由周边气象站历史风速风向资料统计分析表明,利用规范建议的极值分布概型预测重现期设计风速存在不合理性,台风登陆衰减效应导致临近工程场地多个气象站极值风速预测结果差别较大,采用线性回归方法加权换算工程场地设计风速可以较为合理地定义结构设计基本风速。参考长三角地区Monte-Carlo台风随机模拟结果,进一步有针对性地分析了不同气候模式风环境参数取值对于结构风荷载取值的影响。     

低速增压风洞支架干扰的数值研究

对气动院FL-9低速增压风洞尾撑支架干扰进行数值计算.通过合理的拓扑结构,生成了YF-16模型的分区对接网格.计算对模型的典型安装状态进行研究,获得了全机气动特性和支架干扰量,探讨了此安装状态下弯刀对飞机气动力的干扰特性,并重点研究了Re数对干扰量的影响规律.     

桥梁断面静风荷载的格子Boltzmann方法数值计算

通过引入反映湍流涡粘性的湍流松弛,得到了模拟高雷诺数湍流的BGK方程.在速度相空间、物理空间和时间上对BGK方程进行离散得到了三维十九速离散速度模型;结合分区计算技术,设计了格子Boltzmann并行算法;根据亚格子Smagorinsky模型,提出了直接从粒子分布函数计算湍流松弛时间的方法.用开发的并行计算程序对分体双箱截面和闭口箱梁截面的静风荷载进行了数值识别,得到的静力三分力系数和流场压力分布与风洞试验结果及CFD宏观方法计算结果吻合,并从表面压力分布入手分析了两种桥梁截面的绕流特点.