对称翼型低雷诺数小攻角升力系数非线性现象研究

采用Rogers发展的三阶Roe格式,求解非定常不可压N-S方程,时间方向为二阶精度双时间步方法, 数值模拟了对称翼型SD8020低雷诺数(Re=40000,100000)条件下,流场层流分离涡结构和升力系数随攻角的变化．同试验比较证明了数值模拟的正确性．通过对数值模拟时均化流场结果的详细分析,发现对称翼型在小雷诺数0°攻角附近出现的层流分离泡,其内部结构和演化规律都不同于经典层流分离泡模型,从而提出了一种后缘层流分离泡模型．并应用该模型对对称翼型小攻角低雷诺数流场特性以及升力系数非线性效应的形成机理进行了研究和解释．     

平板大攻角绕流升力和阻力系数的计算

二维平板或二维对称薄翼型大攻角绕流升力和阻力系数与攻角之间存在的函数关系一般用数据表格的形式给出。本文根据垂直平板绕流阻力实验数据和对称薄翼型全攻角绕流实验数据,分析得到了平板大攻角绕流总压力及其升力分量和阻力分量系数的近似计算公式。结果表明：平板总压力系数约等于攻角正弦值的2倍;总压力的阻力分量系数约等于攻角正弦值平方的2倍;升力分量系数约为攻角2倍的正弦值。计算结果与两组试验数据具有较好的一致性。     

垂向双蝠鲼变攻角滑翔水动力性能研究

为了探究垂向间距和攻角对双蝠鲼在沿垂向分布集群滑翔时的水动力性能影响,根据蝠鲼的实际外形建立了蝠鲼计算模型,设置了4种间距排布即0.25, 0.5, 0.75, 1倍体厚排布以及9种攻角状态即-8°～8°,随后借助Fluent软件进行了双蝠鲼变攻角、变垂向间距的集群滑翔数值模拟,结合流场压力云图以及速度云图对集群系统平均升/阻力以及集群中各单体的升/阻力进行了分析.数值计算结果表明:双蝠鲼沿垂向分布在攻角范围为-8°～8°进行集群滑翔时系统平均阻力均高于单体滑翔时所受阻力.单体在集群滑翔过程中获得减阻收益,当双蝠鲼以负攻角集群滑翔时,下方蝠鲼阻力减小,且垂向间距越小,减阻效果越明显;当以正攻角集群滑翔时,上方蝠鲼获得减阻收益.当双蝠鲼以负攻角滑翔时,系统平均升力大于单体滑翔时所受升力;当双蝠鲼以负攻角滑翔时,系统平均升力小于单体滑翔时所受升力,系统平均升力几乎不受垂向间距影响.下方蝠鲼升力始终大于上方蝠鲼升力,但随着垂向间距的增大,升力差距逐渐减小.     

翼型大攻角状态下表面吸气驻涡增升的数值模拟实验

用数值模拟方法给出了翼型大攻角状态表面吸气后绕翼型流动的某些新现象并对流场的特性进行了机理性研究,其中包括吸气对翼型背风面分离涡的驻涡增升作用;吸气孔位置对流场的影响;不同吸气强度以及间歇式吸气的增升效应。数值模拟的出发方程为N-S方程,差分格式为Beam-Warming格式。数值实验表明:(1)吸气可有效地提高翼型大攻角状态下的升力;(2)在一定吸气强度下吸气可使翼型背风面上涡的非定常脱落现象消失从而起到驻涡作用;(3)吸气孔位置在翼面的中部附近增升效果较好;(4)在一定范围内吸气强度越强其升力越高;(5)间歇式吸气也可提高平均升力,但引起升力的波动。     

基于涡量矩理论的绕振荡水翼涡动力学分析

文章采用标准k-ω SST湍流模型和动网格技术, 实现了绕俯仰振荡NACA66水翼非定常流动结构与水动力特性的数值模拟, 并基于有限域涡量矩理论定量表征了局部旋涡结构对水翼动力特性的影响. 研究结果表明: 在水翼升程阶段, 当攻角较小时, 层流向湍流的转捩点由水翼尾缘向前缘移动; 在较大攻角时, 顺时针尾缘涡?TEV在水翼吸力面上生成并向前缘发展, 同时与吸力面上的顺时针前缘涡?LEV融合发展为附着在整个吸力面上的新前缘涡?LEV, 新的?LEV与逆时针尾缘涡+TEV相互作用直至完全脱落, 直接导致了水翼的动力失速, 在回程阶段, 绕振荡水翼的流场结构逐渐由湍流转变为层流. 基于有限域涡量矩理论的定量分析发现, 有限域内附着的?LEV和?TEV提供正升力, 当?LEV发展覆盖整个吸力面时对升力的贡献最大, 占总升力近50%, 而+TEV提供负升力. 同时发现, 有限域内各旋涡内部的不同区域提供的升力有正有负; 而逸出有限域的旋涡内部不同区域提供的升力方向均保持一致, 其中顺时针涡提供正升力, 而逆时针涡提供负升力. 在失速阶段, 域外旋涡整体对升力贡献较小且存在小幅波动, 体现了流动的非定常性.      

翼反角对高压捕获翼构型亚声速气动特性影响分析研究

高压捕获翼新型气动布局在高超声速设计状态下具有较好的气动性能, 新升力面的引入使其在亚声速条件下也具有较大的升力, 但在亚声速下的稳定特性还有待研究. 基于高压捕获翼气动布局基本原理, 在机身-三角翼组合体上添加单支撑和捕获翼, 设计了一种参数化高压捕获翼概念构型. 以捕获翼和机体三角翼上/下反角为设计变量, 采用均匀试验设计、计算流体力学数值计算方法及Kriging代理模型方法, 研究了0° ~ 10°攻角状态下不同翼反角对高压捕获翼构型亚声速气动特性的影响, 重点分析了升阻特性、纵向和横航向稳定性的变化规律以及流场涡结构等. 结果表明, 小攻角状态下翼反角对升阻比的影响比大攻角更加显著, 捕获翼上反时, 升阻比略微增大, 下反则升阻比减小; 三角翼上反时, 升阻比减小, 下反则升阻比先略微增大后缓慢减小; 翼反角对纵向稳定性的总体影响较小, 捕获翼上反会稍微提高纵向稳定性, 而三角翼上反则会降低纵向稳定性; 捕获翼或三角翼上反都会增强横向稳定性, 下反则减弱横向稳定性, 但大攻角状态时, 三角翼上反角过大对提升横向稳定性作用有限; 捕获翼上反航向稳定性增强, 下反航向稳定性则减弱, 而三角翼下反对提升航向稳定性的整体效果比上反更加显著.      

非定常流动的快速拉格朗日涡方法数值模拟

采用快速拉格朗日涡方法数值模拟有复杂旋涡运动的非定常流动. 利用离散涡元模拟旋涡的产生、聚集和输送过程. 拉格朗日描述法用来计算离散涡元的移动,而移动速度则利用广义毕奥-萨伐尔公式结合快速多极子展开法计算,修正的涡半径扩散模型用来模拟离散涡元的黏性扩散. 突然起动圆柱和大攻角下突然起动翼型的非定常有涡流动的数值模拟,及其与试验结果的对比验证了方法的有效性. 另外,大攻角下突然起动翼型的计算结果给出了翼型起动后吸力面旋涡的产生、发展,周期性非定常流动的形成,以及尾流旋涡结构等一些重要的流动特征.[关键词] 非定常流有涡流动快速涡方法      

激波在平板上诱导的旋涡强度的测量

运动激波通过两个等攻角平板后诱导出两个同向旋转的旋涡，这两个旋涡在随当地气流向下游运动的同时，绕涡核连线中心旋转。本文通过测量涡对的转动角度速度，获得了每个旋涡的强度。实验结果表明，由此测得的旋涡强度不同用于小攻角平板起动涡公式计算了起动涡强度。     

EARSM和DRSM在亚音速旋涡流动中的应用

基于非结构网格,采用带曲率修正的显式代数应力非缌出漠型（EARSM）和微分雷诺应力模型（DRSM）,建立了用于模拟大攻角旋涡流动的计算方法。分别以尖前缘和钝前缘的65°三角翼为例,验证了EARSM模型和DRSM模型在两种典型亚音速计算状态下对复杂涡系干扰的模拟能力和旋涡的产生、发展、破裂过程。分别利用SA、BSL两种线性湍流模型对相关问题进行了计算;通过对多种计算的流场与气动力详细结果的比较分析,就几种湍流模型对大攻角复杂旋涡流动的预测能力和敏感性等进行了评估。结果表明：EARSM和DRSM能较好地预测旋涡流动的发展破裂,强于经典线性湍流模型;对边界层发展状况预测较差,导致旋涡启动位置较早。基于算例计算,对两种先进湍流模型的改进提出了适当的建议。所得结论将可为进一步开展大攻角旋涡流动模拟方法的研究提供参考。     

k-ω SST湍流模式三维激波分离流动修正

“激波?边界层分离”是航空气动领域的典型湍流非平衡流动问题, 准确模拟激波分离对于跨声速飞行器气动性能评估和优化设计具有重要意义. 然而传统涡黏性湍流模式中涡黏性系数的定义方式并不适用于非平衡流动, k-ω SST湍流模式为此引入的Bradshaw假设在应用于三维强逆压梯度和较大分离流动时反而限制了雷诺应力的生成, 导致包括k-ω SST在内的常用涡黏性湍流模式均无法对此类流动进行准确模拟. 同时, 现有的非线性雷诺应力本构关系也并不能有效提高模拟精度. 为此, 针对k-ω SST模式分别提出了基于Bradshaw假设和基于长度尺度的两种激波分离流动修正方法. 前者通过提高Bradshaw常数的方式放宽了对雷诺应力生成的限制, 后者则从湍流长度尺度概念出发, 利用混合长度理论、湍动能生成/耗散之比和一种新定义的长度尺度之比构造了ω方程耗散项修正函数, 提高了模式在三维激波分离流动中的建模长度尺度. 两种方法对ONERA M6机翼跨声速大攻角流动均能得到较雷诺应力模式更好的模拟结果. 进一步的雷诺应力分析表明, 三维激波分离流动中“主雷诺应力分量”的概念不再成立, 各雷诺应力分量大小接近. 网格收敛性分析、对其他攻角状态的验证以及湍流平板边界层壁面律验证进一步确认了所提出的两种修正方法的合理性、有效性和通用性.      

俯仰振荡三角翼前缘涡破碎的流动显示

前缘后掠角为６５°和７０°的两个平板三角翼作俯仰振荡运动，前缘涡破碎的流动显示实验研究在南京航空航天大学１米低速风洞中进行。俯仰振荡运动的攻角范围为０°～６０°，折合频率为０．０３和０．０６。采用四氯化钛发烟技术显示前缘涡核轨迹及涡破碎位置。流动显示图形采用相位锁定照相记录。实验结果表明大幅俯仰振荡三角翼的动态涡破碎的弦向位置明显滞后于相应攻角下的静态位置，此滞后量随折合频率增加而增大。本文也根据测得的涡破碎位置随攻角变化曲线讨论了涡破碎位置的传播速度     

剪刀式尾桨涡流干扰机理和气动特性研究

采用非常规剪刀式尾桨对直升机整体性能有着重要影响,关于其复杂流动干扰机理的研究尚处在发展之中. 为了掌握剪刀式尾桨的流动干扰机理和参数影响规律,建立了适合于悬停状态下剪刀式尾桨干扰涡流场分析的计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD) 数值模拟方法. 采用积分形式的Reynolds-averagedNavier-Stokes (RANS) 方程作为旋翼流场求解控制方程,围绕旋翼流场的结构网格采用嵌套网格方法生成. 在CFD 方法验证基础之上,对悬停状态下两种不同构型剪刀式尾桨桨尖涡的涡核位置和强度的演变规律进行了定量分析,并对流场中桨尖涡与桨叶的贴近干扰、碰撞、破碎运动,同时准确捕捉了不同尺度涡之间的相互干扰、融合的过程进行了分析. 进一步研究了剪刀角和轴间距参数对不同构型剪刀式尾桨气动特性的影响规律. 计算结果表明,剪刀式尾桨流场中存在复杂的桨-涡干扰和涡-涡干扰现象,剪刀角和轴间距对剪刀式尾桨的气动特性有重要影响,L 构型剪刀式尾桨气动性能整体优于U 构型剪刀式尾桨.      

不同网格拓扑对细长体绕流计算的影响研究

分别运用扇形(Fan)、阶梯形(Ladder)、交界面形(Interface)网格对细长体小攻角对称、大攻角对称、大攻角非对称绕流流场进行了数值研究．通过涡核位置、涡簇显示、物面压力分布、轴向力分布等的计算结果比较了三种网格的计算精度．数值实验表明：细长体分离涡流场对边界层网格非常敏感,应严格控制边界层网格的正交性;随着攻角增大,流场对网格特性的敏感性有增高的趋势;阶梯形网格可能会对流场带入非物理性扰动,交界面网格对流场捕捉有不连续现象;将三种网格得到的物面压力、侧向力、流动分离位置与实验值进行对比,发现扇形网格误差最小、交界面网格误差最大;大攻角非对称流动时,扇形网格计算的侧向力有整体向细长体头部压缩的趋势,涡脱落位置靠前,第二个及第三个极值更大,说明非对称现象有向尾部发展的趋势．     

非结构隐式方法在空心弹丸流场模拟中的应用

采用非结构网格的LU-SGS隐式算法计算三维Euler方程,数值模拟了不同马赫数以及不同攻角下某空心弹丸绕流流场,分析了流场的波系结构及其升阻力特性,计算结果表明空心弹丸的阻力系数比同口径的普通弹丸的阻力系数大约小30％,空心弹丸的阻力系数以及升力系数随攻角的变化规律与普通弹丸一致．     

应用小干扰柱体控制角区马蹄涡结构的实验研究

本文提出一种简单的抑制和控制角区马蹄涡的被动控制方法.即在角区平板上游放置一个远小于主柱体的小干扰柱体,用其产生的弱马蹄涡来抑制和控制角区的马蹄涡结构.目的是使角区原来的马蹄涡结构由强变为弱、由大变为小、由多变为少、由非定常变为定常,以获得减小冲刷、抑制湍流、降低噪声、避免振动的工程效果.作者在风洞中采用烟线法和激光片光流动显示的方法开展研究,实验表明,在平板上游适当位置放置小干扰柱体的确可以有效抑制和控制角区马蹄涡结构.实验发现,当小干扰柱体放置在原角区马蹄涡生成区时,其抑制和控制效果最佳;当小干扰柱体放置在上游区或下游区时,控制效果不好.本文讨论了小干扰柱体控制角区马蹄涡的机理.此外,实验还研究了小干扰柱体相对尺度和截面形状对角区马蹄涡结构抑制和控制的影响.     

复杂外形飞行器压力分布CFD数值模拟与试验结果比较

为观察粘性效应对物面压力分布的影响,并验证 CFD 数值模拟方法的计算结果,设计了翼-身-舵组合体模型,利用航天空气动力技术研究院的FD-20炮风洞,在马赫数Ma分别取6、8且攻角α分别取0o、10o、20o的条件下进行了风洞测压试验,同时用Euler方程和N-S方程计算了模型的表面压力并与试验结果进行了比较。结果表明：除少数测点外,弹身、弹翼、舵面及弹身-弹翼干扰区的 Euler方程和 N-S方程计算结果都比较一致,除了攻角α=20°时的弹翼外,计算结果都与试验结果吻合较好。攻角α=20°的极小展弦比三角弹翼,由于侧前缘脱涡等分离现象的存在,实验值普遍高于计算值10%～15%,但变化趋势一致。因此,在采用CFD数值模拟与工程计算相结合的方法进行气动加热或非定常气动力的计算中,采用Euler方程代替N-S方程求解边界层外缘参数和当地流参数是合理的。     

高耸结构锁定激励响应和极限风压研究

本文从升力振子模型着手,以国外试验数据为依据,详细研究了锁定现象的流固耦联作用机理和对应的高耸结构横向风振的主要形式——涡致锁定激励响应,提出了合理的响应计算方法。在这些研究基础上本文还讨论了横风向受力为主的一类高耸结构的破坏风荷载计算,该研究充分体现了锁定现象的非线性激振特性。     

《力学学报》2006年分类目录

流体力学对称冀型低雷诺数小攻角升力系数非线性现象研究..............……白鹏崔尔杰李锋周伟江2006，38(l):1弯管内爆轰波传播的流场显示和数值模拟........................……王昌建徐胜利费立森郭长铭2006，38(l):9高猫性流动有限元模拟的迭代稳定分步算法，.....................................……韩先洪李锡夔2006，38(l):16各向同性湍流内顺粒碰撞率的直接模拟研究...........……李瑞霞柳朝晖贺铸陈溉密郑楚光2006，38(l):25三角典前缘涡破裂形式及特性研究....................................……吕志咏祝立国张明禄2006，…     

圆形坚冰影响翼型气动性能的数值分析

本文用FLUENT软件模拟了结冰后NACA 0012翼型周围流场的变化,并与结冰前NACA 0012翼型的气动性能进行了对比.工作中首先以未结冰的NACA 0012翼型(干净翼型)为标准模型进行了数值验证计算,再以经过检验的方法计算结冰模型,并与结冰风洞试验数据进行了对比.本文计算攻角为0°～20°,温度为250.37K,雷诺数为2,400,000,冰型为圆形坚冰.通过对比升力阻力性能,发现与干净翼型相比,结冰翼型的最大升力系数大约减少了50%,阻力系数增加了约65%,失速攻角降低了4°.结冰后翼型提前失速是造成气动性能恶化的主要原因.     

可变形儒可夫斯基翼型非定常气动力的研究

对于翼面变形法向运动速度远小于来流速度的儒可夫斯基机翼,将解析解和离散涡方法相结合计算变形机翼的流场及非定常气动力,较详细地分析了变形机翼升力系数的准定常计算方法的误差来源,并给出修正方法.计算结果显示脱落涡尾迹对升力系数和机翼绕流环量的影响很小,变形机翼升力系数准定常计算方法的误差丰要来源于流体非定常运动引起的虚拟质量力,该非定常附加升力仅与当前时刻飞行姿态及翼犁形状和变形速率有关,与具体的变形历史过程无关,变形机翼的升力近似等于准定常计算结果叠加上相应的虚拟质量力.