侧向多喷口干扰复杂流动数值模拟研究

采用具有高分辨率的NND格式,通过数值求解N-S方程对典型外形多喷口侧向喷流复杂干扰流动进行了数值模拟. 为了提高计算效率,采用了LU-SGS隐式算法. 采用分块对接网格技术,生成高质量的贴体计算网格,精确模拟喷口截面. 对比分析了不同计算格式、限制器形式、网格拓扑及流动形态(层流与湍流)对喷流干扰流场结构和压力分布特性的影响,研究和分析了喷口附近流场的涡系结构、波系结构和喷流干扰引起的气动力特性. 在上述研究的基础上,针对典型飞行器外形的侧向喷流干扰特性进行了详细的数值模拟,得到了喷口参数(喷口位置、数目等)及来流条件对喷流干扰流场结构、气动力特性的影响规律,并对其流动机理进行了相应的分析. 研究表明,发展的针对多喷口侧喷干扰的数值计算方法是成功的,可以应用于飞行器侧向喷流干扰的流场结构分析及气动力特性数值预测.      

超声速多喷流干扰流场特性研究

研究了旋成体上超声速来流与超声速横向多喷流相撞产生的层流干扰流场特性. 数 值方法针对三维可压缩Navier-Stokes方程按二阶精度Roe格式进行离散,采用基于多区对 接网格技术的有限体积法. 数值模拟结果描述了多喷流干扰流场的空间结构以及激波/边界层 干扰引起的分离范围,探讨了沿流向等间距排列的喷口个数对表面和空间流场结构以及压力 分布的影响规律. 结果表明,第一喷口对多喷流干扰流场主要结构和喷口上游表面分离范围 起主导作用. 其中三喷流流场数值模拟的对称面激波结构与实验纹影结果进行对比,符合较 好.     

超音速流动中侧向喷流干扰特性的实验研究

在超音速流动中，进行了侧向喷流干扰特性的实验研究，研究了喷流压力、 攻角、迎风侧及背风侧喷流对侧向喷流干扰特性的影响. 结果表明，随喷流压力增大，喷流 前的高压区向前扩展，喷流的包裹作用加强. 有攻角时，背风侧喷流前的高压区更大，喷流 包裹作用的影响区域前移，喷流的控制效果更好，这一趋势随攻角的增大更加明显.     

高超声速稀薄流中横向喷流干扰特性实验研究

喷流干扰是高超声速飞行高精度控制的一种有效手段,研究者们以往大部分都主要集中于连续流条件下喷流干扰效应的机理研究,并给出了喷流干扰流场的典型结构,而稀薄流条件下喷流干扰特性的实验数据还十分匮乏.本文利用JFX爆轰激波风洞产生高超声速稀薄自由流,基于平板模型开展不同喷流压力和自由来流参数对横向喷流干扰特性影响的实验研究,采用高速纹影成像及图像处理技术,获得稀薄流条件下喷流干扰流场演化过程及流场结构的变化规律.相比于无喷流条件形成的流场,横向喷流与稀薄自由流相互作用形成的流场结构更为复杂,喷流压力由于受到稀薄来流的扰动,斜激波会短暂穿透喷流干扰流场并延伸至楔形体上部.喷流干扰流场内桶状激波的影响范围随着喷流压力的升高而逐渐变宽,位于三波点上游的斜激波空间位置不会随喷流压力的变化而改变,而位于三波点下游的弓形激波则向上游移动,当喷流压力过低时,桶状激波不会与其他两种激波交汇形成三波点.高超声速稀薄来流压力的降低同样会使桶状激波的影响范围变宽,弓形激波同样也会向上游移动,但基本不会对斜激波空间位置产生任何影响.     

后掠机翼低速流动转捩位置的升华法测量

报导了在西北工业大学低湍流度风洞中采用升华法测量后掠翼上表面流动转捩位置及其随攻角变化而改变情况,并参照后掠翼压力分布的实验结果进行分析.本文涉及的升华法,是根据边界层的层流区和湍流区流态差别来判断边界层转捩的一种测量方法.升华法的测量结果表明:在小攻角范围内,转捩位置逐渐提前,当达到某一攻角时,转捩快速接近前缘.这一结果和压力分布的实验结果相吻合,说明升华法能够较准确地显示转捩线位置.由于影响后掠翼转捩位置的因素较多,诸如边界层内横流的不稳定性、壁面的干扰、后掠翼的三维流动效应等,致使出现了攻角为4°时转捩位置呈现出一条斜线的现象.     

进口预旋对离心叶轮气动性能影响机理的研究

将理论推导和数值模拟相结合,对典型离心压缩机Eckardt叶轮流场进行分析,探讨了不同进气预旋对叶轮气动性能的影响;从叶片进口攻角、叶尖相对马赫数和流向压力变化的角度,阐述了预旋对内部流动以及气动性能的影响机理。结果表明:预旋角对进口攻角和叶尖相对马赫数同时产生显著影响,正预旋会降低进口来流的攻角及相对马赫数,使叶片前缘载荷降低、叶轮效率及稳定性提升;负预旋会提升叶轮的做功能力,使总压比上升;正预旋由于降低了叶片前部做功能力,使低压流体堆积到叶片中后部,导致总压比下降;叶轮最高效率受叶尖相对马赫数与进口攻角共同影响,若提升效率必须合理协调预旋对二者的影响。     

高压捕获翼构型亚跨超流动特性数值研究

为研究高压捕获翼布局在亚跨超条件下的流动特性, 选取圆锥?圆台机体组合捕获翼概念构型, 在马赫数0.3 ~ 3速域范围内, 选取典型状态点, 采用数值模拟在 0°攻角条件下进行了计算和分析. 结果表明, 在整个速域范围内, 由于机体与捕获翼在对称面附近的垂向距离最小, 因此二者之间的气动干扰最为明显, 且沿展向逐渐减弱. 同时, 随马赫数增大, 机体与捕获翼间的流场结构明显不同, 具体表现为: 当Ma<0.5时, 未出现流动分离现象, 当Ma>0.5时, 机体后段开始出现明显的流动分离, 由于捕获翼与机体形成先收缩后扩张的等效通道, 捕获翼下表面和机体上表面的压力均先减小后增大; 进入跨声速速域后, 在捕获翼的影响下, 流动分离更加明显, 机体与捕获翼之间开始出现激波, 并且与分离区相互作用, 同时出现激波串, 捕获翼下表面产生明显的压力波动现象, Ma=1.5时, 通道内激波位置基本到达机体尾部, 分离区基本消失; 当Ma>2以后, 整个流场呈现以激波为主导的结构形式, 捕获翼下表面和机体上表面的压力分布逐渐趋于平缓.      

矢量喷流对细长体大迎角非对称流动影响研究

采用测压方法研究了矢量喷流对细长旋成体大迎角非对称流动的影响特性.实验结果表明:矢量喷流对细长旋成体大迎角非对称侧向力有明显的抑制作用,该抑制作用是通过喷流诱导作用,改变其空间绕流涡系结构的分布来实现的,但是矢量喷流的存在并不能改变大迎角机身空间绕流涡系的本质结构;随着迎角的增大,矢量喷流对细长旋成体大迎角非对称流动的影响区域不断前移,甚至影响到头部;随着喷流落压比的增加,矢量喷流对细长旋成体大迎角非对称侧向力的抑制作用加强,但当喷流落压比达到临界落压比后(即喷管出口处达到设计马赫数时),喷流影响作用将不会随喷流落压比的增加而改变.     

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...     

高超声速飞行器反作用控制系统喷流干扰综述

反作用控制系统（reaction control system, RCS）在高超声速飞行器上取得了较为广泛的应用,已成为高超声速飞行器重要的控制手段之一. RCS 工作过程中喷流与来流形成了复杂的干扰流场,使得对RCS的控制能力预测存在困难. 根据RCS 在不同高超声速飞行器上的布局位置及飞行器局部外形特点将RCS 布局方式归纳为4 类,包括小曲率表面喷流、大曲率表面喷流、头部喷流和翼面附近喷流. 对用于模拟各布局方式流动特征的4 种典型模型进行了概述,并对各典型模型喷流干扰问题的研究进展进行了总结. 最后,对今后研究方向提出了一些建议.     

热喷干扰气体模型对飞行器气动特性影响分析

针对不同气体模型对高超声速飞行器喷流反作用控制系统(RCS)热喷干扰流场模拟的计算效率和准确性问题, 基于喷流燃气物理化学模型, 通过数值求解含化学反应源项的三维N-S方程, 建立了飞行器RCS热喷干扰流场数值模拟方法, 分别采用化学反应流、反应冻结流、二元异质流以及空气喷流四种气体模型开展了典型外形热喷干扰流场的数值模拟, 研究了不同气体模型对热喷干扰流场结构、飞行器气动力热特性的影响, 分析了不同马赫数、飞行高度下的变化规律. 研究表明: 化学反应流模型计算精度较高, 计算与风洞试验数据的吻合程度优于其他三种简化模型; 在本文的低空条件下, 采用简化模型进行热喷干扰流场数值模拟, 会低估分离区大小, 使飞行器气动力特性预测出现偏差, 同时也会低估表面热环境, 对防热系统设计不利, 随着马赫数增加, 简化模型对气动力热特性预估的误差进一步增大, 同时不同简化模型之间的差异也进一步增大; 飞行高度较高时, 模型之间的差异减小, 此时可采用简化模型进行计算以提高计算效率. 本文的研究结果可为飞行器热喷干扰流场数值模拟及喷流反作用控制系统设计提供参考.      

钝头机体用嵌入式大气数据传感系统的解算精度研究

针对一种钝头机体用嵌入式大气数据传感(flush air data sensing,FADS)系统的实施方案及求解精度展开研究.基于15°钝头体外形,在马赫数Ma=2.04,3.02,5.01,攻角α介于-5°和25°之间,不考虑侧滑角的情况下,采用势流理论及修正的牛顿流理论建立了该FADS系统的气动模型.首先利用经典的三点式算法建立了攻角的求解方案,并采用最小二乘曲线拟合的方法对误差进行了修正;随后建立相应的迭代衰减算法解算静压及动压,最后根据压力比与马赫数的关系求解马赫数.对解算的数据与实际飞行参数进行了比较,结果表明,建立的钝头机体用FADS系统的模型及算法精度较好,攻角绝对误差小于0.1°,静压相对误差小于5%,马赫数绝对误差小于0.01.     

正方形排列四圆柱体绕流特性及互扰效应研究

基于计算流体动力学理论,运用大涡模拟方法对雷诺数Re=3900三维正方形排列四圆柱体结构群的绕流问题进行数值计算,主要分析来流攻角与间距比两个参数对四圆柱体结构群流体参数及流场模态的影响。结果表明:来流攻角与间距比均对四圆柱体结构群绕流特性有较强的影响;来流攻角θ=0°、22.5°、45°下,临界间距比分别为3.5、4.0、3.0;间距比的变化会导致下游圆柱表面压力系数分布发生改变;另一方面,间距比较小时,四圆柱体结构之间的互扰作用均以临近效应为主;随间距比增大,上游圆柱尾流对下游圆柱有显著影响,其互扰作用会转变尾激效应。     

局部凸起在V形钝前缘模型中的降热特性研究

三维内转式进气道的唇口结构通常存在复杂的激波干扰及严酷的气动热载荷,严重威胁高超声速飞行器的性能与安全.在6.0马赫的高超声速流动中,以V形钝前缘模型为研究对象,设计了局部凸起的被动流动控制降热方案.采用数值模拟手段,首先研究了局部凸起方案的降热能力以及降热原理,然后初步优化了局部凸起的位置、高度以及宽度等关键设计参数,最后分析了优化后的局部凸起方案的攻角、侧滑角及马赫数的适用性.研究结果表明:上游凸起边缘形成的斜激波与主马赫反射结构形成的透射激波发生干扰,能够减弱其冲击壁面的强度,实现降热的目的;驻点凸起通过改变超声速射流的对撞角度,能够降低其对撞的强度,实现降热的目的.原始方案的降热能力约为37.75%,在对局部凸起的关键设计参数进行初步优化后,优化方案的降热能力将提升至44.60%.设计工况下的优化方案具有良好的攻角适用性,而高度可变的优化方案可以较好地适用于有侧滑角及高马赫数的流动.在研究范围内,高度可变的优化局部凸起方案的降热能力均高于20%.     

非定常俯抑振荡下的横向喷流数值模拟

采用高精度格式数值求解RANS方程,研究了定常状态下横向喷流流场,压力分布计算结果与实验结果基本吻合,并捕捉到喷流干扰流场中多种流动结构.在非定常计算过程中,飞行器的振动引起了法向力和俯仰力矩系数的相位滞后,推力放大因子随俯仰角周期变化.飞行器振动过程中,喷流流场的动态气动特性与稳态喷流有明显的区别,因此在利用横向喷流对飞行器进行姿态控制时,应该考虑由于飞行器姿态的变化对横向喷流所产生的非定常影响问题.     

钝头机体用嵌入式大气数据传感系统的解算精度研究1）

针对一种钝头机体用嵌入式大气数据传感(flush air data sensing,FADS) 系统的实施方案及求解精度展开研究. 基于15° 钝头体外形,在马赫数Ma = 2.04, 3.02, 5.01,攻角α 介于-5°和25°之间,不考虑侧滑角的情况下,采用势流理论及修正的牛顿流理论建立了该FADS 系统的气动模型. 首先利用经典的三点式算法建立了攻角的求解方案,并采用最小二乘曲线拟合的方法对误差进行了修正;随后建立相应的迭代衰减算法解算静压及动压,最后根据压力比与马赫数的关系求解马赫数. 对解算的数据与实际飞行参数进行了比较,结果表明,建立的钝头机体用FADS 系统的模型及算法精度较好,攻角绝对误差小于0.1°,静压相对误差小于5%,马赫数绝对误差小于0.01.     

后掠激波诱导分离特性的马赫数影响

利用壁面压力测量和表面油流显示技术对后掠压缩角产生的激波与湍流边界层干扰进行了实验研究。主要研究了来流马赫数对干扰分离特性和起始分离条件的影响，实验的马赫数为１．７９，２．０４和２．５０，相应的雷诺数为２．４２—２．４７×１０￣７／ｍ．实验模型共１５个，其后掠角变化范围是０°—６０°，流向压缩角变化范围是１０°—３０°，实验结果表明，与二维干扰不同，对于大后掠角的三维干扰来说，分离线上的压比和起始分离时的无粘激波压比近似相等，且是一个与马赫数无关的常数。     

偏转矢量喷流对双三角翼前缘涡破裂影响的实验研究

本文应用染色液流动显示技术对后缘偏转喷流情况下76°/40°双三角翼前缘涡破裂位置的变化进行了观测,实验结果表明偏转喷流主要推迟与喷流方向相同一侧前缘涡的破裂,而使另一侧前缘涡破裂略有提前.随着喷流偏转角度的增大,喷流使两前缘涡破裂位置差逐渐增大.另外,随着模型攻角的增大,前缘涡涡核与双三角翼翼面的夹角逐渐增大,导致偏转喷流的作用逐渐减弱.     

民机机头气动特性的实验研究

在1.2m量级亚跨超声速风洞采用DPIV、测压、油流显示三种实验技术对某型飞机机头模型气动特性进行了实验研究，得到了两个机头模型在巡航马赫数和快速巡航马赫数条件下的气动特性，实验结果表明：在巡航马赫数条件下（Ma=0.785），机头顶端气流速度和压力分布平滑，不存在流动分离和超音速区域；在快速巡航马赫数条件下（Ma=0.820），机头顶端存在局部很小区域的超音速区，强度很小，不存在流动分离；相同马赫数条件下，对于确定模型，随着攻角增大（由3o增加到6o），气流在模型上进入高流速区或超音速区的位置有所提前，位置相差约为半个到一个测压面间距；相同马赫数和相同攻角条件下，气流在两个机头模型上进入高流速区或超音速区的位置存在差异，位置相差约半个测压面间距。三种实验方法结果相互吻合，实验数据符合气动规律，可作为机头气动设计的依据。     

真实气体效应对返回舱气动力特性的影响

采用7 组元6 反应化学动力学模型,通过数值方法研究了真实气体效应对阿波罗(Apollo) 返回舱流场及气动力特性的影响. 并利用典型弹道点的飞行和实验数据验证了化学非平衡流计算程序的可靠性. 计算结果表明:真实气体效应主要发生在物面附近很薄的激波层内,真实气体效应使得激波脱体距离减小;真实气体效应使阻力系数和升力系数增加,且在小攻角时增加幅度最大;真实气体效应产生附加的低头力矩,使压心位置后移. 真实气体效应的影响随着马赫数的增加变化不明显.