大型飞机阻力预示与减阻研究

简要说明了大型飞机减阻的重要意义，对国内外大型飞机计算流体动力学(CFD)和风洞实 验等阻力预示技术进行了初步的评估和分析，重点论述了大型飞机减阻气动布局及装置、减 低诱导阻力方法和减低摩阻方法的研究现状和发展趋势，指出中国需要进一步提高CFD和风 洞实验阻力预示技术水平，同时加强对气动布局、优化设计以及流动控制等基础科学技术问 题的研究. 对中国发展大型飞机能起到借鉴和参考的作用.     

AERODYNAMIC OPTIMIZATION OF HIGH-SPEED TRAIN BASED ON RBF MESH DEFORMATION

基于局部型函数三维参数化方法、改进的蚁群算法和改进的克里金（Kriging）代理模型,开展了列车头型的三维气动减阻优化设计研究。为了避免复杂几何外形大变形情况下千万量级网格的重复生成,提高高速列车头型优化设计的效率,引入了缩减控制点的径向基函数网格变形技术。优化结果表明：径向基函数网格变形技术在不降低网格质量的情况下可以有效缩短网格变形的时间消耗,能够用于复杂几何外形的气动优化设计;在给定的设计空间内,控制鼻锥外形的6个关键设计参数对列车气动阻力的影响呈单调递增关系;优化后,在满足约束条件的情况下,简化外形列车的整车气动阻力减小5.41%,头尾车减阻效果明显,中间车气动阻力基本不变。     

飞行器船尾设计对亚声速底阻影响及风洞试验验证

减小阻力尤其是底部阻力,是飞行器增加航程的重要手段,而船尾布局则是减小底部阻力的有效措施．为研究船尾修型设计在亚声速段对飞行器阻力的影响规律,对某飞行器外形开展船尾修型设计并进行数值模拟,分析了不同船尾形状和船尾角度对飞行器阻力的影响情况,并开展了风洞试验验证．结果表明,船尾修型设计可以有效减小底部阻力;船尾采用曲线过渡的减阻效果优于直线过渡;在限定船尾过渡段尺寸（轴向长度80 mm、法向高度40 mm）的情况下,船尾角度超过45°的修型设计,对底部的减阻效果更为明显;风洞试验结论与数值分析结果一致．     

添加剂湍流减阻流动与换热研究综述

添加剂湍流减阻是指在液体的管道湍流中添加少量的高分子聚合物或某种表面活性剂从而使湍流阻力大大降低的现象.从其被发现至今,经过近半个世纪的研究(实验研究、理论分析、数值模拟和实际系统的应用研究),尽管对这一现象及其实际应用价值已有了较为深入的认识,但仍有许多方面尚有欠缺,例如对湍流减阻的机理仍然在探索中.本文归纳评述了高分子聚合物或表面活性剂添加剂湍流减阻流动与换热现象的研究现状,从湍流减阻剂的特性、减阻剂的湍流减阻机理、湍流减阻发生时的换热机理、减阻流动速度场分布和换热控制等几个方面综述了添加剂湍流减阻流动与换热特性,并综述了湍流减阻剂在实际工业系统中的应用情况,在对添加剂湍流减阻机理、有湍流减阻发生时的对流换热机理等的理解方面进行了新的总结.      

Stability and evolution of liquid-gas interfaces on superhydrophobic surfaces

超疏水表面功能材料在防污、流动减阻等领域具有重要应用,其中液-气界面的稳定性是关系到该种材料性能发挥的关键因素.微结构液-气界面的稳定性主要体现在浸润状态转变过程,浸润状态恢复过程和气泡形态演化过程三个方面.在压强变化、气体扩散等多种因素作用下,液-气界面会发生失稳现象,并以不同的形态变化方式进行演化发展.该文首先总结了三类液-气界面稳定性问题.在不同的演化阶段,液-气界面具有不同的位置和形状,体现出不同的稳定性.然后,分别针对液滴系统和水下浸没系统,考虑了几种主要的影响因素,综述了目前国内外关于超疏水微结构液-气界面稳定性研究的主要进展,总结液-气界面的演化机制.最后,展望了该领域中存在的主要科学问题.     

平尾翼型后加载对飞机配平的影响研究

利用MGAERO 软件对搭配不同尾翼模型的某典型布局客机翼身组合体流场进行了计算,研究了平尾翼型后加载对全机配平的影响. 分析表明,采用后加载设计的平尾翼型在配平时升力和阻力损失较小,配合其他手段可以提高全机升阻比,进而改善全机配平后的气动性能. 这一结论从流场计算的角度揭示了客机平尾翼型采用后加载设计这一发展趋势的重要原因.     

THE KEY SCIENTIFIC PROBLEMS IN THE EULERIAN MODELING OF LARGE-SCALE MULTI-PHASE FLOWS——DRAG MODEL

描述相间相互作用的曳力模型是决定流态化模拟成败的关键科学问题,核心是如何表征稠密非均匀流动中曳力的一般规律. 首先综述了现有曳力模型的发展现状和优缺点,然后讨论了流态化系统能量分析方法（energy minimization multiscale method, EMMS）,以及在此基础上建立的曳力模型及其发展历程,重点分析了EMMS 理论在代表非均匀流动特征的颗粒团尺寸、内部固含率等关键参数上的缺陷、文中的修正方法和实验检验结果. 最后,讨论了曳力模型的发展方向即普适性问题.     

Energy-based decomposition of friction drag in turbulent square-duct flows

The generation of friction drag in turbulent duct flows has direct connection with statistical quantities and corresponding turbulence dynamics in the duct cross-section. In this study, we generalize the RD identity (Renard and Deck, 2016) to a ‘two-dimensional’ form which we exploit to decompose the mean friction drag in turbulent square-duct flows into contributions associated with viscosity, turbulence and cross-stream convection. The friction Reynolds number of the duct flows ranges from 220 to 2000. The scaling, spatial distribution and local normalization of the contributions to friction are investigated and compared with those in pipe and channel flows. As in other canonical flows, we find logarithmic growth of the turbulent contribution in contrast to the viscous one, the former thus becoming dominant at high enough Reynolds numbers. Whereas cross-stream convection has no net effect on friction, its contribution may be locally comparable to the other two, hence may be responsible for redistribution of friction along the duct perimeter.     

幂律流体圆柱绕流的格子波尔兹曼模拟简

基于插值补充格子波尔兹曼方法和幂律流体的本构方程,建立了贴体坐标系下适用于幂律流体的格子波尔兹曼模型,模拟了幂律流体的圆柱绕流问题,采用非平衡外推格式处理圆柱表面的速度无滑移边界,利用应力积分法确定曳力系数和升力系数,并与基于标准的格子波尔兹曼方法和有限容积法获得的数值数据进行对比,吻合良好. 进行了网格无关性验证之后,分析了稳态流动时,不同雷诺数下幂律指数对于尾迹长度、分离角、圆柱表面黏度分布、表面压力系数及曳力系数的影响,以及非定常流动中,幂律指数对于流场、曳力系数、升力系数和斯特劳哈尔数的影响. 获得的变化规律与基于其他数值模拟方法得到的结果相一致,充分验证了模型的有效性和正确性. 结果表明：插值补充格子波尔兹曼方法可以用来模拟幂律流体在具有复杂边界流场内的流动问题,通过引入不同的非牛顿流体本构方程,该方法还可以进一步应用于其他类型的非牛顿流体研究中.     

水下减阻技术研究综述

在简要回顾早期减阻研究的基础上,对现有典型水下湍流减阻技术进行了较深入地分析.重点介绍了脊状表面减阻、微气泡减阻和疏水/超疏水表面减阻的研究现状.分别从实验研究和理论研究两方面对其进行了阐述,并着重强调了各自的减阻机理. 此外,还简要介绍了柔顺壁面减阻、壁面振动减阻等其它减阻技术.展望了水下减阻技术今后的研究重点及其应用前景.      

逆向喷流流场模态分析及减阻特性研究

逆向喷流减阻的基本原理是利用逆向高速喷流与飞行器绕流的相互作用，使飞行器周围的流场结构发生变化，致使飞行器的气动特性发生改变，从而改善飞行器的气动性能。利用数值模拟方法对轴对称球头、截锥的逆向喷流流场开展了研究，考虑了高温非平衡化学反应对流场的影响。模拟了球头和截锥在不同总压比时流场不同的模态：长穿透流模态（LPM）和短穿透流模态（SPM），得到了不同模态下钝体表面压力、气动力系数和不同模态之间转换的瞬态效应．简单分析了喷流在减阻方面的应用，给出了几个喷口参数与减阻效率之间的关系，提出了喷流减阻工程应用时应考虑的主要因素。     

湍流流动中鲨鱼皮表面流体减阻研究进展

快速游动的鲨鱼, 其皮肤表面沿流动方向有序地排列着沟槽状结构, 人们认为这种结构能在湍流流动 中减小表面摩擦阻力. 人们仿真这种生物结构来进行实验研究和应用, 通过复制和改善鲨鱼皮肤表面沟槽状 结构, 使得摩擦阻力最大减小了近10%. 在实验和模拟仿真中, 人们不断讨论和研究湍流流动阻力的形成机制 和沟槽减阻的理论特性. 本文综述了沟槽减阻理论特性的一些研究方法, 并且归纳定义了沟槽减阻最优几何 形状及其尺寸; 详细考虑流体流动的特点, 给出了一种用来选择最优沟槽形状及其尺寸的方法; 综述了目前的 沟槽加工制造技术. 由于鲨鱼皮肤表面存在少量黏液, 从仿生学的角度, 文章最后综述并展望了通过局部应用 疏水性材料来改变沟槽附近流场属性, 从而达到更大程度上减小阻力的目标.      

高亚声速运输机后体减阻措施研究

为了降低高亚声速运输机的阻力,改善飞机的气动性能,本文在某一典型运输机机身外形的基础上,研究了后体参数和涡流发生器对机身后体流场及阻力的影响。通过数值模拟计算,得出了不同外形的后体流态分布及阻力特性数据。结果表明,小的上翘角和收缩比、大的扁平度和长细比能够显著地减小压差阻力,而涡流发生器能够有效地减小摩擦阻力。该结果可为后续的型号研制提供参考。     

Aerodynamic drag of bodies in transonic flow. Theory and applications to computational aerodynamics

Formulas for all the components of the aerodynamic drag (total, friction, inductive, wave, pressure, and heat-transfer) are uniformly derived as applied to flows governed by the Navier-Stokes and Reynolds equations. For flows of this type the definition of the aerodynamic drag components is refined and the physical basis of the chosen method of breaking up the total drag into components is discussed. Ways of calculating the aerodynamic drag components using the methods of computational aerodynamics are considered. On the basis of the refined formulas the drag components are calculated for flows around airfoils and a high-aspect-ratio wing in transonic flow.     

FLOW STRUCTURE IN THE TURBULENT BOUNDARY LAYER OVER DIRECTIONAL RIBLETS SURFACES

本文采用时间解析的二维粒子图像测速技术,对零压力梯度光滑以及汇聚和发散沟槽表面平板湍流边界层统计特性和流动结构进行了研究.结果表明在垂直于汇聚和发散沟槽表面的对称平面内,相对于光滑壁面,发散沟槽壁面使当地边界层厚度、壁面摩擦阻力、湍流脉动、雷诺应力等明显减小;而汇聚沟槽壁面对湍流边界层特性和流动结构的影响正好相反,汇聚沟槽使壁面流体有远离壁面向上运动的趋势,因而导致边界层厚度增加了约43%;同时,在汇聚沟槽表面情况下流向大尺度相干结构更容易形成,这对减阻是不利的.此外,顺向涡数量在湍流边界层的对数区均存在一个极大值,发散沟槽表面所对应的极大值位置更靠近沟槽壁面,而在汇聚沟槽表面则有远离壁面的趋势,由顺向涡诱导产生的较强的喷射和扫掠运动会在湍流边界层中产生较强的剪切作用,顺向涡数量的减少是发散沟槽壁面当地摩擦阻力降低的主要原因.     

Unsteady drag on a sphere by shock wave loading

The dynamic drag coefficient of a sphere by shock wave loading is investigated numerically and experimentally. The diameter of the sphere is varied from 8 m to 80 mm in numerical simulation. The axisymmetric Navier-Stokes equations are solved on a fine grid, and the grid convergence of the drag coefficient is achieved. The numerical result is validated by comparing the experimental data of a 80 mm sphere, measured by the accelerometer in a vertical shock tube. It is found that the sphere experiences in the early interaction one order higher drag than in the steady state. A transient negative drag, mainly resulting from the focusing of shock wave on the rear side of the sphere, is observed only for high Reynolds number flows, and the drag becomes positive because of increased skin friction for low Reynolds number flows.Received: 10 March 2004, Accepted: 24 May 2004, Published online: 20 August 2004[/PUBLISHED]M. Sun: Send offprints requests to     

LATTICE BOLTZMANN SIMULATION OF POWER-LAW FLOW PAST AN ELLIPTIC CYLINDER

基于格子波尔兹曼方法(lattice Boltzmann method) 和幂律流体本构方程, 建立二维流动模型, 将充分发展的速度分布与理论解进行对比, 吻合良好. 对幂律流体的圆柱绕流进行模拟, 采用了反弹格式的无滑移圆柱边界, 并使用应力积分法计算阻力系数, 分析了稳态圆柱绕流时, 阻力系数随幂律指数n 以及雷诺数Re 的变化规律. 分析了椭圆横轴/纵轴长度比和幂律指数n, 对压力系数C_p 和黏度系数C_v 的影响. 得到的变化规律与有限元方法规律一致, 验证了格子波尔兹曼模型的可行性.     

Drag reduction by an elastic rubber band?

The influence on the friction behaviour caused by a rubber band held fixed at one end of a circular tube containing a fully developed turbulent flow was investigated. The drag was slightly higher under these conditions with the drag approaching the Prandtl-Karman law at high Reynolds numbers. The results are in contrast to the behaviour of a polymer thread in heterogeneous drag reduction.     

紫藤萝复叶气动特性的风洞实验研究

树叶的形状重构和减阻能力在太阳能帆板、机翼结构、仿生天线设计和新型发电技术等方面具有应用价值.紫藤萝羽状复叶垂直悬挂于风洞中,在风速0~25m/s范围内进行正面和反面迎风测试.发现存在前期稳定、中间过渡和后期稳定3个阶段以及5个临界风速.在前期阶段叶轴随风速弯曲变化剧烈,出现小叶分层飞翼和分层多形状稳定.过渡阶段出现叶轴大幅低频振动和部分小叶小幅高频振动两种不稳定形式.后期出现两层或单一整体稳定,横截面形状分为锥形、楔形和U形.随着风速增大,复叶宽度减小,小叶层数逐步减少,直至出现流线形单一整体.随着雷诺数增大,复叶阻力系数先是快速下降,后又缓慢地趋于常数.复叶Vogel负指数绝对值$\vert \alpha \vert$随小叶数目的增大而增大.反面迎风时$|\alpha|$比正面迎风时大,但随着小叶数目增加两者趋于一致.当复叶旋涡脱落频率与叶轴固有频率接近时,叶轴出现大幅振动.理论分析得到叶轴振动的第二临界风速$V_2/\sqrt{E/\rho}$是$b/l$和$d/l$的函数,其中$E$,$\rho$,$d$和$l$分别为叶轴弹性模量、密度、直径和长度,$b$为变形后的复叶宽度,并由实验数据得到了其变化图.      

Characteristics of turbulence transport for momentum and heat in particle-laden turbulent vertical channel flows

The dynamic and thermal performance of particle-laden turbulent flow is investigated via direction numerical simulation combined with the Lagrangian point-particle tracking under the condition of two-way coupling, with a focus on the contributions of particle feedback effect to momentum and heat transfer of turbulence. We take into account the effects of particles on flow drag and Nusselt number and explore the possibility of drag reduction in con-junction with heat transfer enhancement in particle-laden turbulent flows.The effects of particles on momentum and heat transfer are analyzed,and the possibility of drag reduc-tion in conjunction with heat transfer enhancement for the prototypical case of particle-laden turbulent channel flows is addressed.We present results of turbulence modification and heat transfer in turbulent particle-laden channel flow,which shows the heat transfer reduction when large inertial parti-cles with low specific heat capacity are added to the flow. However,we also found an enhancement of the heat transfer and a small reduction of the flow drag when particles with high specific heat capacity are involved.The present results show that particles,which are active agents,interact not only with the velocity field,but also the temperature field and can cause a dissimilarity in momentum and heat transport.This demonstrates that the possibility to increase heat transfer and suppress friction drag can be achieved with addition of par-ticles with different thermal properties.