新型等离子体激励器对翼型的减阻效果

论述了在西北工业大学低湍流度风洞中采用新型等离子激励器对NACA0015翼型的减阻实验.实验风速为35m/s,攻角范围取0°~20°.并参照压力分布和总压分布实验结果对减阻效果进行了对比分析.本文还进行了有关等离子体激励抑制翼型流动分离的数值模拟研究,基于等离子体激励器的简化模型将体积力以源项方式引入到N-S方程中求解,得到激励器工作时的流场分布.结果表明在新型等离子体激励器开启后:在小攻角范围内,尾耙的总压分布曲线与坐标轴的纵轴(尾耙高度轴)所围面积变化不大;当攻角≥12°时,尾耙的总压分布曲线与坐标轴的纵轴(尾耙高度轴)所围面积明显减小.从而说明该新型等离子体激励器能够有效地减少翼型的阻力.     

同轴双方柱气动力载荷的相互干扰

本文研究了在大气边界层气流中同轴双方柱气动力载荷的相互干扰,讨论了这种干扰与风向角和间距比之间的关系.结果表明处于相邻方柱的干扰下,上游方柱的最大气动力载荷大于单体的载荷;而下游方柱则受到前柱明显的阻挡作用,不仅如此,当风向角为0°,小间距下的后柱,不但没有阻力,还会受到反向的摧力.还发现在串列情况下存在和双圆柱类似的临界间距,阻力和升力在临界间距附近有明显的突变.同时将本实验的结果和一些文献中的结果进行了比较.     

相同雷诺数下串列双圆柱绕流的仿真分析

为研究均匀水流场中串列排布的柱群之间的干涉影响,本文以三维串列双圆柱为例,通过计算流体力学(CFD)软件FLUENT15.0中双方程k-ε模型,分析模拟了双圆柱所受平均阻力、平均升力、后柱周向压力、斯特劳哈尔数等水动力特性。结果表明:在雷诺数为Re=2×10~4的串列双圆柱绕流中,两圆柱中心间距L与圆柱直径D的比值为L/D=4时,后柱受前柱绕流尾流影响大,明显高于单圆柱绕流的平均阻力系数,后柱的周向压力值也随前柱尾流的摆动呈现显著的不对称性;当L/D=8时,前柱绕流尾流对后柱影响逐渐减弱;当L/D=12时,两圆柱之间的相互干扰几乎可以忽略,可以看作是相互独立的单圆柱绕流。最后,计算的斯特劳哈尔数与单圆柱绕流对应的斯特劳哈尔数相近且仿真数值在计算数值范围之内,验证了整个仿真分析的准确性,也进一步说明了双圆柱绕流的柱群的干涉影响。双圆柱间距越大,前、后柱之间的干涉影响越弱。     

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.      

串列双圆柱同步测压实验结果的相关分析

本文在雷诺数2×104下,同步测量了12个不同间距下串列双圆柱的表面压力分布,积分得到脉动升、阻力的时间历程,并对前、后柱之间的脉动升、阻力以及脉动升阻力和圆柱表面的脉动压力进行了相关分析.在本实验中,串列双圆柱流态切换的临界间距比在3.5～4.0之间,在临界间距前后,相关曲线的形态差别很明显.当串列双圆柱之间的距离小于临界间距时,前后柱之间的影响显著,造成脉动升/阻力和脉动压力之间的相关程度下降.串列双圆柱之间的距离大于临界距离时,前、后柱的脉动升力之间的相位差随间距线性增加.分离点的脉动压力和脉动升力之间以及背压和脉动阻力之间都有较好的相关性,可以用分离点的脉动压力和背压来分别表征脉动升力和脉动阻力.     

两串列扑翼的相位差对平均推力影响机理的实验研究

在一个低雷诺数的循环水洞中,实验研究了前后翅翼之间的相位差对两串列扑翼平均推力的影响.利用一个三分量的Kistler 压力传感器来测量扑翼的瞬时力;利用一个数字粒子测速仪系统(TSI DPIV) 来测量扑翼的前缘涡以及其周围的流场. 当相位差从0° 增加到360°,前翅的平均推力随着相位差正弦变化;前翅平均推力的增加是由于后翅的前缘涡和滞止区域增加了前翅的有效攻角. 后翅平均推力曲线有一个明显的V 字形低谷.低谷处较小的平均推力是由于前翅的脱落涡抑制了后翅前缘涡的形成并且减小了其有效攻角.当间距为0.5倍弦长相位差约为290°时,前后翅翼平均推力系数的合值能达到最大值0.667,明显大于两倍的单翼平均推力系数(2×0.255).      

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．     

蜻蜓滑翔时柔性褶皱前翅气动特性分析

蜻蜓是自然界优秀的飞行家,滑翔是其常见且有效的飞行模式.蜻蜓优异的飞行能力来源于其翅膀的巧妙结构,褶皱是蜻蜓翅膀上最为显著的结构之一,不仅提高了翅膀的刚度,还改变了其气动特性,而飞行过程中柔性翅膀会产生变形是蜻蜓翅膀的另一特性.为揭示蜻蜓在滑翔时,柔性褶皱前翅的变形,探究褶皱和柔性的共同作用对其气动特性的影响,基于逆向工程,依据前人的测量数据和研究成果,通过三维建模软件建立了蜻蜓三维褶皱前翅的计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)模型和计算结构力学(computational structural mechanics,CSD)模型,并通过模态分析验证了此模型有足够的精度.基于CFD方法和CFD/CSD双向流固耦合计算方法分别对蜻蜓滑翔飞行时刚性和柔性褶皱前翅的气动特性进行了数值模拟,结果表明,柔性褶皱前翅受气动载荷后,翅脉和翅膜产生形变,柔性前翅上下表面压力差相较于刚性前翅减小了,从而其升力和阻力也减小了,而在大攻角时,变形后的前缘脉诱导出比刚性前翅更强的前缘涡.因此在攻角小于10?时刚性前翅的气动特性优于柔性前翅,继续增大攻角,柔性前翅的气动特性则优于刚性前翅.前翅受载后气动响应时间短,翅尖的变形最大,仅仅产生了垂直于翅膀所在平面方向上的变形,而没有发生扭转,翼根处受到应力最大,褶皱上凸部分承受蜻蜓滑翔时前翅的主要载荷.     

横向喷流对低速大攻角细长旋成体非对称气动特性影响研究

采用风洞试验和数值模拟相结合的方法,对雷诺数Re=55 000条件下细长旋成体有、无横向喷流时大攻角非对称特性进行了分析.通过风洞试验发现了旋成体在法向和侧向进行喷流时其大攻角非对称气动特性与无喷流时的区别,通过数值模拟方法对几个典型工况下旋成体有、无横向喷流时的非对称气动特性进行了分析,揭示了喷流对旋成体非对称流动分离的影响.通过风洞试验发现当细长旋成体进行法向控制时无喷流、喷流位于迎风区和喷流位于背风区的旋成体表现出了不同的非对称流动特性:首先喷流位于迎风区时攻角范围在20°～40°之间有喷流和无喷流旋成体所产生的侧向力方向相反,攻角大于40°之后侧向力系数的方向发生了改变,与无喷流时的侧向力系数方向相同,但是其绝对值要比无喷流时的侧向力系数小.其次喷流位于背风区时攻角在15°～35°之间有喷流时的侧向力系数绝对值要明显比无喷流时大,在随后的40°～70°之间旋成体侧向力系数变化规律与无喷流的趋势相似.当细长旋成体进行侧向控制时由于沿侧向的喷流所产生的直接力使得攻角范围在0°～20°之间和大于45°时有喷流的旋成体侧向力系数绝对值要比无喷流时大,但是攻角在25°～40°之间时旋成体...     

回转体表面条纹沟槽减阻水洞实验研究

本文在条纹沟槽表面减阻理论分析的基础上,对条纹沟槽表面回转体进行了大量的水洞实验研究。实验模型表面条纹沟槽采用直接加工方法,头部线型为双参数平方根圆头曲线,尾部线型为双参数尖尾曲线。实验结果分析表明,与相同形状、尺寸的光滑表面回转体相比,条纹沟槽表面回转体在一定速度范围内存在很好的减阻效果,最大减阻量超过6%,且在小攻角范围内减阻量基本稳定,对回转体升力特性也没有影响。对比不同尺寸条纹沟槽的减阻效果发现,降阻量不但随条纹沟槽宽度S变化,而且随来流速度U∞变化,即与无因次沟槽宽度S (文中近似取S =S.LRe2Ckx,其中k为总阻力Cx的修正因子)存在着一定的关系。对于V型条纹沟槽具有减阻效果的S 的范围在10到60之间。本文研究证明,条纹沟槽表面减阻技术在水下航行器设计领域有着很好的应用前景,同时文中所取得的研究成果对该技术的应用具有一定的促进作用。     

Numerical investigation of fluid flow past circular cylinder with multiple control rods at low Reynolds number

Laminar flow past a circular cylinder with multiple small-diameter control rods is numerically investigated in this study. The effects of rod-to-cylinder spacing ratio, rod and cylinder diameter ratio, cylinder Reynolds number, number of control rods and angle of attack on the hydrodynamics of the main circular cylinder are investigated. Four different flow regimes are identified based on the mechanism of lift and drag reduction. The range of rod-to-cylinder spacing ratio where significant force suppression can be achieved is found to become narrower as the Reynolds number increases in the laminar regime, but is insensitive to the diameter ratio. The numerical results for the case with six identical small control rods at Re=200 show that the lift fluctuation on the main cylinder can be suppressed significantly for a large range of spacing ratio and various diameter ratios, while the drag reduction on the main cylinder is also achieved simultaneously. The six-control-rod arrangement has shown better performance in flow control than the arrangements with less control rods, especially in terms of force reduction at various angles of attack.     

乘波体前体/进气道一体化设计研究

为了研究乘波体几何外形参数和飞行参数对前体/进气道一体化设计的影响,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,以马赫数Ma=6和攻角α=0为设计状态、进气道总压恢复系数和前体阻力系数为目标函数,对乘波体前体/进气道进行了优化设计,并在此基础上研究了攻角、马赫数、前缘半径、前体宽度对气动参数的影响。结果表明:该乘波体前体/进气道构型具有良好的攻角特性,总压恢复系数比基准构型提高17.79%,阻力系数比基准构型降低78.5%,符合高超声速飞行器高升力、低阻力的要求,且非常适合小攻角高超声速巡航飞行;为了得到较高升阻比的前体,在前缘半径R≤2mm的范围内进行流场反设计时,可以将设计马赫数的取值比预期低一些。     

圆柱附加旋转整流罩表面压力分布及气动力特性

对圆柱附加固定整流罩的已有研究表明,它在降低升阻力和抑制涡激振动方面有优良的效果。但固定整流罩具有方向敏感性,当来流方向改变后效果会受到显著影响,甚至起到增加升阻力和加剧涡激振动的反作用。本文给圆柱附加了圆弧直径为40mm,形状夹角α分别为30°、45°、60°、75°和90°五种尺寸的旋转整流罩,并进行了风洞实验。其中整流罩可以自由地围绕圆柱轴线旋转。实验结果表明:旋转整流罩在流体力产生的力矩作用下,旋转至一个偏离尾流中心线固定角度的动态平衡位置,而平衡位置偏转角δ随着形状夹角α的增大而增大。附加旋转整流罩后,相对单圆柱能够提高尾迹区域压力,并能使时均阻力和脉动升力分别在α=30°和α=75°时获得最大43.5%和67.0%的降低。此外,对于小α(α≤60°)情况,漩涡脱落频率明显高于单圆柱情况,而对于大α(α≥75°)情况,则与单圆柱情况相接近。所有旋转整流罩升力主频的幅值较之单圆柱有了很大程度的降低,可见旋转整流罩在抑制漩涡脱落方面有很好的效果。     

非结构隐式LU-SGS方法在空心弹丸流场数值模拟中的应用

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.     

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．     

The flexibility effect of a plate according to various angles of attack in a free-stream

This paper presents a computational fluid–structure interaction analysis for a flexible plate in a free-stream to investigate the effects of flexibility and angle of attack on force generation. A Lattice Boltzmann Method with an immersed boundary technique using a direct forcing scheme model of the fluid is coupled to a finite element model with rectangular bending elements. We investigated the effects of various angles of attack of a flexible plate fixed at one of the end edges in a free-stream at a Reynolds number of 5000, which represents the wing flapping condition of insects and small birds in nature. The lift of the flexible plate is maintained at the large angle of attack, whereas the rigid plate shows the largest lift at angles of attack around 30–40° and then drastic reductions in the lift at the large angle of attack. If we consider the efficiency as the lift divided by the drag, the flexible plate shows better efficiency at angles of attack greater than 30° compared to the rigid plate. The better performance of the flexible plate at large angles of attack comes from the deformation of the plate, which produces an interaction between the trailing edge vortex and the short edge vortex. The horseshoe-shaped vortex produced by a large vortex interaction at the trailing edge side has an important role in increasing the lift, and the small projection area due to the deformation reduces the drag. Furthermore, we investigate the role of flexibility on the lift and the drag force of the rectangular plate in a free-stream as the Reynolds number increases. Whenever a large vortex interaction at the trailing edge side is shown, the efficiency of the rectangular plate is improved. Especially, the flexible plate shows better efficiency as the Reynolds number increases regardless of the angle of attack.     

飞行器纵向俯仰气动特性计算研究

应用有限体积方法求解三维可压缩雷诺平均N-S方程,计算了巡航导弹外形飞行器作小振幅俯仰运动时的动态绕流流场和空气动力特性,开展了导弹绕不同转轴、以不同频率和在不同迎角范围内进行俯仰运动的非定常气动力迟滞特性研究。计算结果表明,当导弹作快速俯仰运动时,在上仰和下俯过程中的同一迎角瞬间,绕导弹流场流动明显不同,表现出明显的非定常迟滞特性。导弹的非定常气动力迟滞特性随俯仰运动频率的增大明显增强,且气动力迟滞曲线随着俯仰轴位置的变化而变化。在同一减缩频率下,导弹在不同迎角范围内作周期俯仰运动时,相同的运动相位角所对应的升力系数对迎角的导数是一致的,而不同减缩频率下升力系数对迎角的导数随运动相位角变化曲线明显不同。     

定常吹气对倾转旋翼机向下载荷的影响

为进一步提高倾转旋翼机悬停状态下的有效载重,开展了定常吹气流动控制对向下载荷的影响研究。首先应用延迟脱体涡模拟(DDES)方法对翼型-90°迎角下非定常大范围分离流动结构进行了数值分析;然后分别开展了前缘吹气、后缘吹气降载措施研究,揭示了吹气降载的机理,并对不同吹气口位置和吹气动量系数的影响进行了定量分析,最后开展了前、后缘同时吹气作用下降载数值模拟研究。计算结果表明:前缘最佳吹气位置在翼型的前缘点,而后缘吹气最佳位置位于襟翼弦长的15%处;前缘吹气的降载效果要优于后缘吹气,而且吹气动量系数对向下载荷的影响较小;相对于初始未施加流动控制构型,阻力系数减小量可达到32.72%。     

基于浸入边界-格子Boltzmann通量求解法的椭圆柱流动特性分析

基于浸入边界-格子Boltzmann通量求解法,开展了雷诺数Re=100不同几何参数下单椭圆柱及串列双椭圆柱绕流流场与受力特性对比研究。结果表明,随长短轴比值的增加,单椭圆柱绕流阻力系数先减小后缓慢上升,最大升力系数则随长短轴比值的增大而减小;尾迹流动状态从周期性脱落涡到稳定对称涡。间距是影响串列圆柱及椭圆柱流场流动状态的主要因素,间距较小时,串列圆柱绕流呈周期性脱落涡状态,而椭圆柱则为稳定流动;随着间距增加,上下游圆柱及椭圆柱尾迹均出现卡门涡街现象,且串列椭圆柱临界间距大于串列圆柱。串列椭圆柱阻力的变化规律与圆柱的基本相同,上游平均阻力大于下游阻力;上游椭圆柱阻力随着间距的变大先减小,下游随间距的变大而增加,当间距达到临界间距时上下游阻力跃升,随后出现小幅度波动再逐渐增加,并趋近于相同长短轴比值下单柱体绕流的阻力。     

Wind tunnel test of Japanese arrows with the JAXA 60-cm magnetic suspension and balance system

In order to understand the aerodynamic properties of Japanese arrows, several types of shafts without fletching and various types of Japanese arrows were examined in a low-speed wind tunnel equipped with the JAXA 60-cm magnetic suspension and balance system. The main component of drag acting on the shaft is viscous drag from the boundary layer. This viscous drag can be evaluated analytically. A simple new method to estimate the effects of fletching on the lift of the arrow was proposed in which we found that lift is proportional to the angle of attack of the arrow but not to the rotation speed or angle. Time history results for the lift on rotating arrows in the magnetic suspension and balance system indicate that this method effectively estimates the lift on an actual rotating arrow in flight. The lift and pitching moment were mainly generated by fletching, and the drag from the fletching was similar in magnitude to that of the arrow shaft. For Japanese bamboo arrows tested with a field point, the drag, lift, and pitching moment coefficients were evaluated to be in the ranges of 3.5?C3.7, 0.4?C0.8, and ?0.15 to ?0.25, respectively, at Reynolds numbers of an arrow in flight.