壁温比对高速钝锥边界层转捩天地差异的影响研究

首先对比了天上飞行状态与地面风洞状态下钝锥边界层的转捩特性,然后利用基于线性稳定性理论的e^N方法对飞行状态与风洞状态下的钝锥边界层进行了转捩预示,最后研究了壁温比对高速钝锥边界层的稳定性及转捩的影响。研究结果表明,在低壁温比条件下,圆锥迎风中心与侧面的边界层先于两者之间区域转捩,转捩形貌与飞行实验结果相似;在高壁温比条件下,圆锥迎风面区域迟于侧面及背风面区域转捩,转捩形貌与风洞试验结果相似。壁温比是造成高速钝锥边界层转捩天地差异的重要影响因素。     

头部和后体对钝头体侧向力的影响

钝头体大迎角飞行时会出现随机的非对称流动现象,引起不确定的较大侧向力,进而使其偏离运行轨道。通过在钝头体头部施加人工扰动块可以固定其大迎角下的非对称流场结构,得到确定的侧向力,以利于改善钝头体的大迎角飞行特性及机动性。本文讨论了在头部人工扰动块主控流场结构的基础上,模型后体对侧向力影响的存在性问题,在迎角为50°、雷诺数为1.54×105的条件下,利用实验对周向角为90°和270°、子午角为10°的扰动位置的球形扰动主控下的侧向力影响因素进行了研究。发现钝头体大迎角下的非对称流动结构在头部主控的基础上,后体对非对称流动的影响不会消失,且其为影响头部扰动主控作用的重要因素。尽管模型后体的影响不会改变钝头体头部对于流场结构的主控地位,但会影响头部扰动控制的精准程度。所以在通过钝头体头部施加扰动进而得到确定的侧向力的同时,还需要减小模型后体对流场的影响,对其结构和加工质量进行优化,以更好地通过人工扰动主控流场结构。     

后缘隔板对充气式机翼翼型气动力影响分析

以充气式机翼为背景,研究了安装后缘隔板充气式翼型的气动特性。以翼型E387为基础生成的钝后缘翼型为研究对象,采用大涡模拟方法对安装中部隔板的充气式翼型进行了流场数值计算,并与未安装隔板的情况进行了对比。总结了后缘中部隔板对充气式翼型气动特性影响的变化规律,为充气式机翼设计提供参考。     

大曲率缺口奇异有限元计算模型及其数值分析

 研究了大曲率缺口的位移场基本理论,构造了一种新的大曲率缺口位移模式;建立含大曲率缺口损伤结构有限元方程和相应的缺口奇异单元;提出了求解大曲率缺口应力与应力强度因子等断裂参量一种的新数值计算方法。算例说明本方法是一种有效的数值计算分析方法,其研究成果对众多的材料破坏试验极有参考价值。     

钝体头部“逾越”型转捩的直接数值模拟

通过直接数值模拟,研究了钝体头部边界层“逾越”型转捩的问题。在计算上,利用高阶紧致差分格式和高分辨率的无反射边界条件,求解全N-S方程,并将局部有限幅值扰动直接引入到钝体头部的曲面边界层中。摈弃了目前国际上通常采用的周期边界条件,以及以平板代替曲面的做法。结果表明:流场转捩的发生与一种类似“发卡”状的拉伸结构出现有关,而国外的计算结果中并未发现这一结构。此外,流场的失稳过程和物理图像也存在较大差异。这说明国外目前的做法和结论是值得商榷的。同时,模拟的结果也说明,这种方法对研究大扰动转捩来说是一条行之有效的途径。      

高超声速钝双楔绕流流动转捩与分离流动的壁温影响

为研究壁温对吸气式高超声速飞行器进气道转捩流动的影响,选取钝双楔这一典型外形,基于德国Aachen工业大学Thomas与Herbert所开展的双楔高超声速风洞试验,分析了一些已有的计算流体力学(CFD)研究内容,并结合本文不同方法的CFD数值模拟结果,讨论了不同壁面温度对该双楔模型高超声速绕流流动转捩与流动分离的影响。对于双楔模型,流动分离一般发生在拐角附近,由于流动分离旋涡的剪切作用会诱发流动转捩,转捩又会改变流动分离强度、分离涡尺寸,若分离流动存在非定常特征则将导致非定常旋涡运动与流动转捩的复杂相互作用。通过比较已有文献的CFD数值模拟结果与本文计算结果,表明只有按照转捩思路开展的数值模拟才能够反映该风洞试验情况。计算结果与试验数据的比较显示,文献中按照第一压缩面层流与第二压缩面湍流状态计算得到的结果能够在一定程度上与风洞试验数据相符,本文使用MUSCL格式、剪切应力输运(SST)湍流模型与γ-Reθ关联转捩模型这种计算方法,得到的结果与试验数据符合较好,正确地反映了风洞试验情况。分析还表明,在分离流动之前的区域,随着壁面温度的升高,壁面热流会下降,近壁区域黏性系数变大,边界层内速度剖面不饱满,速度边界层较厚,厚的速度边界层容易发生流动分离现象。     

球头钝锥高超声速动稳定性的实验研究

本文叙述在脉冲型高超声速风洞中，用模型自由飞方法测定８°球头钝锥的高超声速静、动稳定特性。采用同步高速摄影方法记录了２０ｍｓ准定常试验时间中模型的角运动并用参数微分法进行气动参数辨识。实验结果表明对质心位置Ｘｃｇ≤０．６０的模型在Ｍ∞＝７．８和Ｍ∞＝９．９两种条件下皆是静、动稳定的，稳定性随质心的后移而下降，在实验范围内马赫数对稳定性没有明显影响，同时模型的底部是否封闭也没有明显影响。     

跨声速钝体绕流数值模拟研究

通过数值求解ＮＳ方程，进行了三方面工作（１）格式和算法对返回舱跨声速流场特性的影响研究；（２）网格形态对捕捉声速弱激波的有效性研究；（３）模拟了无支杆和有支杆返回舱跨声大攻角绕流流场，给出了后球体上的跨声速激波和后支杆上的第二道激波。     

高超声速钝体绕流的奇异摄动理论

对于二维和轴对称的物体的无粘高超声速绕流,当比热比Υ→1和来流Mach数M→∞时,激波将贴近物面,Chernyi等人应用薄激波层理论给出了尖头物体绕流问题的渐近展开解,它属于正则摄动理论。但对于钝头体,Chernyi等人的理论遇到了困难,因为该理论中对各物理量的量阶估计在物面附近是不适用的。本文在对物面附近各物理量的量阶重新进行估计的基础上,以Chernyi等人的渐近展开式作为外解,并在物面附近给出了各物理量的新的内解的渐近展开式,从而用奇异摄动理论中匹配的渐近展开法,得到了钝头体绕流问题的解。文中还给出了渐近展开式中首项的解析表达式结果。     

绕大钝头短体外形跨音速大迎角湍流流动计算

采用数值模拟求解N-S方程方法计算与分析了绕大钝头短体外形的跨音速大迎角时的湍流流动.数值方法中选用Van Leer 分裂格式离散无粘通量项,并构造了一种Limiter函数以保证TVD(Total Variation Diminishing)性质,采用中心差分格式来离散粘性通量项.计算中采用了B-L湍流模型.算例定性地表明绕流的三维分离具有准周期性的非定常特性.