高压捕获翼前缘型线优化和分析

为分析翼前缘形状变化对高压捕获翼构型气动性能的影响,基于一种锥体组合捕获翼概念构型,采用幂次函数和余弦函数组合形式对翼前缘型线进行了参数化设计,在比较了多项式和径向基函数两种代理模型的拟合精度基础上,以飞行马赫数7,飞行攻角0° 为计算条件,结合使用均匀实验设计方法、计算流体力学、径向基函数代理模型方法和遗传算法,选择升阻比最大化为目标开展了数值优化,最后基于优化结果进行了单参数的灵敏度分析. 优化结果表明,相对于基准外形而言,优化后构型升力系数增大了约8.1%,阻力系数减小了约12.2%,升阻比提高了约23.4%. 此外,灵敏度分析结果表明升阻比与5 个设计参数均呈非线性关系,其中展向角度对升阻比影响最大,其次为幂次曲线的比例参数,其余3 个参数对升阻比的影响相对较弱.      

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.      

高压捕获翼位置设计方法研究

高压捕获翼构型是一种合理利用机体/上置翼(简称捕获翼)间的耦合关系提高飞行器升力,进而大幅提高升阻比的高速飞行器新概念构型.基于其设计原理,捕获翼的位置与机体压缩激波和自身二次压缩激波的位置均直接相关,一般难以利用理论方法直接获得.针对这一问题,本文运用均匀实验设计方法在设计空间内获取样本点并利用计算流体力学分析和迭代获得其设计位置,之后通过构造代理模型建立捕获翼位置与设计参数间的模拟映射关系,进而发展了一种捕获翼位置设计的有效方法.在方法研究基础上以锥体-捕获翼组合构型作为实例对其进行验证.结果表明,该方法可在较大设计空间范围内准确判定捕获翼的设计位置.此外,针对这一构型还开展了基于代理模型的设计参数单因素分析.发现在设计空间内,前缘压缩角、来流马赫数、和捕获翼钝化半径等3个关键参数均与捕获翼位置呈单调正比例关系.      

亚、跨、超音速及不可压流动的数值分析方法的研究

为了对亚、跨、超音速及不可压无粘流动进行数值模拟,将LU－SGS方法与预处理方法结合,给出了PLU－SGS方法。方程离散基于有限体积法,采用高阶精度AUSMPW格式。方程求解采用了特征边界条件。通过典型算例的数值试验对比分析,表明PLU－SGS方法可以有效地对亚、跨、超音速及不可压流动进行数值模拟,并具有较高的计算精度和收敛速度。     

分离流动数值模拟的几个问题

介绍了分离流动现象.给出了三维定常粘性流动分离识别准则,研究了分离流动的性态.给出了应用于分离流动的六种模型及有关的控制方程.讨论了求解NS方程的数值方法和数值模拟的前景.特别研究了应用于分离流动的Eulcr方程的数值模拟问题.      

超声速双层翼翼型的阻力特性研究

以布兹曼双层翼为基础,采用基于压力梯度自适应的非结构网格求解欧拉方程的计算流体力学(CFD)方法,计算分析了双层翼翼型的厚度和翼面间距对阻力特性的影响。在马赫数为1.7的情况下,由于激波的反射和干涉,超声速双层翼翼型的阻力系数仅为0.00189,为相同厚度菱形翼型的1/15。本文通过进一步的研究发现:减少翼型厚度对于双层翼翼型设计马赫数的阻力系数有一定的影响,且与超声速状态相比,厚度对于亚声速状态的阻力影响更大,厚度减少20%,亚声速状态的阻力系数减少可达60%以上;翼面间距对阻力特性的影响相对复杂,设计马赫数之前的阻力系数与翼面间距成反比,而设计马赫数之后的阻力系数与翼面间距成正比。在此基础上,基于激波的反射及干涉效应,提出了一种双设计状态的双层翼翼型,在最佳设计点之前,双层翼之间的激波/膨胀波会有两次反射,使翼型前后的压力基本相同,阻力系数出现一次下降。随着马赫数的增加马赫角减少,激波经过一次反射就能使翼型前后的压力基本相同,使翼型达到最佳设计状态。计算结果表明,双设计状态双层翼能够使双层翼翼型在两个设计点都具有较低的阻力系数。     

飞机翼身干扰流动分离机理研究

采用CFD(计算流体力学)方法,结合风洞试验结果,对飞机翼身干扰流动分离机理进行了研究。分析了机翼根部马蹄涡、边角涡的内部结构和形成过程;研究了机身和机翼的压力分布及附面层,进而总结给出了飞机翼根流动分离机理;同时也验证了CFD方法对翼身干扰计算的准确性。研究结果表明:机翼前缘对气流的阻挡作用形成较高的逆压梯度,使气流产生回流形成马蹄涡,马蹄涡影响翼根表面附面层,使机翼机身附面层掺混失稳,向下游流动发展形成边角涡。     

基于CFD的斜置翼翼型选型研究

斜置翼飞行器是一种通过改变扫掠角而能在亚声速、跨声速、超声速三个速度段都能获得最优效率的宽速域飞行器.根据斜置翼的设计需求,其基本翼型应该是超临界翼型,翼型选择应在考虑翼型最佳气动效率的同时兼顾翼型内部有效体积和操稳特性.基于以上选型标准,先从NASA超临界翼型族中选出5种超临界翼型,然后运用商业CFD软件Fluent对这5种超临界翼型的气动特性进行计算.最后通过对比分析这5种翼型的气动特性、几何参数和操稳特性,选择性能较优的NASA SC(2)-0714翼型作为斜置翼的基本翼型.     

超空泡形态及其流动特性的数值模拟

对圆盘空化器分别采用CFD、"1/3法则"和空泡截面独立扩展原理三种不同方法数值模拟了水下航行体定常自然超空泡外形及其流动特性。应用CFD方法基于粘性多相流的空泡捕捉法,采用六面体网格,选择Singhal空化模型和SST湍流模式,数值求解均质超空泡流场RANS方程。研究表明:泡形态时变特性是一种行之有效的工程估算方法,应用空泡截面独立扩展原理其计算结果与CFD方法吻合较好,说明了CFD方法用于超空泡流动仿真计算的可行性和独立性原理快速估算超空泡形态的准确性;同时超空泡外形主要与头部空化器有关,空泡长度会由于航行体本身存在变长;可优先选择空泡截面独立扩展原理对水下航行体超空泡外形进行快速估算。     

TSTO马赫7安全级间分离问题的数值研究

两级入轨(two stage to orbit,TSTO)飞行器在高超声速来流条件下级间分离,会在两级之间产生复杂的非定常气动干扰,直接增加TSTO级间分离失败风险.级间分离过程中的这种复杂气动干扰伴随着两级之间的激波与边界层干扰、马蹄涡、激波与尾流干扰的综合作用.本文将TSTO助推级和轨道级的复杂模型简化为两个三维楔...     

NUMERICAL PREDICTION OF PERIODIC VORTEX SHEDDING IN SUBSONIC AND TRANSONIC TURBINE CASCADE FLOWS

Periodic vortex shedding at the trailing edge of a turbine cascade has been investigated numerically for a subsonic and a transonic cascade flow. The numerical investigation was carried out by a finite volume multiblock code, solving the 2D compressible Reynolds-averaged Navier–Stokes equations on a set of non-overlapping grid blocks that are connected in a conservative way. Comparisons are made with experimental results previously obtained by Sieverding and Heinemann.     

CHAOTIC MOTIONS AND LIMIT CYCLE FLUTTER OF TWO-DIMENSIONAL WING IN SUPERSONIC FLOW

Based on the piston theory of supersonic flow and the energy method, the flutter motion equations of a two-dimensional wing with cubic stiffness in the pitching direction are established. The aeroelastic system contains both structural and aerodynamic nonlinearities. Hopf bifurcation theory is used to analyze the flutter speed of the system. The effects of system parameters on the flutter speed are studied. The 4th order Runge-Kutta method is used to calculate the stable limit cycle responses and chaotic motions of the aeroelastic system. Results show that the number and the stability of equilibrium points of the system vary with the increase of flow speed. Besides the simple limit cycle response of period 1, there are also period-doubling responses and chaotic motions in the flutter system. The route leading to chaos in the aeroelastic model used here is the period-doubling bifurcation. The chaotic motions in the system occur only when the flow speed is higher than the linear divergent speed and the initial condition is very small. Moreover, the flow speed regions in which the system behaves chaos axe very narrow.     

双圆柱绕流特性的模拟研究

采用格子Boltzmann方法对低雷诺数下气体绕流圆柱的规律进行了研究. 对比计算了双圆柱在不同圆心距、不同Re数、不同来流速度与双圆柱圆心连线角度的情况下,各个圆柱的受力大小和曳力系数. 结果表明,若Re数为20, 改变圆柱间距,圆柱间距在1.2d和1.4d之间时,下游圆柱所受曳力有极小值;双圆柱间距为1.6d时,双圆柱受到总曳力最小;圆柱间距大于2d时,上游颗粒受到的曳力不再受到下游颗粒的影响. 若圆柱间距为1.2d, 改变雷诺数,Re数在30和40之间,下游圆柱所受曳力有极小值. 另外,来流速度角度对圆柱的受力影响很大. 上述规律为低Re数下圆柱绕流的深入研究与应用打下基础.      

钝头翼型和机翼跨音速绕流的渐近展开分析

本文利用渐近展开匹配法分析钝头翼型的跨音速绕流,导出了描述前缘附近流动的一级近似、二级近似下的速位方程、边界条件及相应的近似解析解,并构成关于翼表面速度的一致有效合成解,消除了跨音速小扰动近似的前缘奇性,对于大展弦比后掠翼绕流,可利用翼型绕流分析结果,消除机翼前缘奇性。     

HyperFLOW软件非结构网格亚跨声速湍流模拟的验证与确认

计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟在航空航天等领域发挥越来越重要的作用,然而CFD数值模拟结果的可信度仍然需要通过不断地验证与确认来提高.本文给出了从制造解精度测试、简单到复杂外形湍流模拟网格收敛性研究等三个方面开展CFD软件验证与确认的方法,并对自主研发的CFD软件平台HyperFLOW在非结构网格上模拟亚跨声速湍流问题的能力进行了验证与确认.首先通过基于Euler方程和标量扩散方程的制造解精度测试,分别验证了HyperFLOW在非结构网格上对Euler方程和黏性项的求解精度,结果表明其能够在任意非结构网格上达到设计的二阶精度. 其次,通过NASATurbulence Modeling Resource中的湍流平板、二维翼型近尾迹流动、二维Bump等几个典型的亚声速湍流算例的网格收敛性研究,量化考察了数值结果的观测精度阶和网格收敛性指数,并与国外知名CFD解算器CFL3D,FUN3D的计算结果进行了对比,验证了HyperFLOW对简单湍流问题的模拟能力,且具有良好的网格收敛性和计算精度(阶). 最后,通过NASA CommonResearchModel标模定升力系数的网格收敛性研究和升阻极曲线预测,验证了软件在复杂外形亚跨声速湍流流动数值模拟中也具有良好的可信度.      

超声速和高超声速进气道的数值模拟

本文讨论超声速和高超声速进气道的数值模拟问题,其中包括国内外对进气道问题的一些主要进展、方向和今后预研的动态,目的在于弄清流场形成的机理,为高速飞行器进气道的气动设计提供理论依据。      

三角翼大迎角不可压粘流的数值模拟

研究了人工压缩法拟压缩性系数β的选取，采用函数形式的β有效地加速了收敛过程．采用求解不可压Ｎ－Ｓ方程，对三角翼大迎角绕流进行了数值模拟，得到了与实验吻合很好的结果．分析和讨论了大迎角旋涡流动的复杂物理现象     

飞行器流场与结构温度场耦合数值分析

利用高精度的有限体积迎风格式TVD来求解超声速流场，利用有限元方法求解固壁的温度场，流场与结构温度场互为边界条件交换数据，实现流场解算与温度场解算的耦合数值分析，耦合方法研究表明气动加热问题属于强耦合，耦合迭代直接影响温度平衡时间，因此采用小时问步的耦合计算可以准确预测高速飞行器的气动加热。     

高压旋转射流流动特性的实验研究

测量了叶轮导引高压射流喷嘴在不同叶轮螺旋倾角和喷嘴收缩角下高压水的喷射形状参数,通过分析给陋了此种射流的外边界曲线方程形式及射流扩散角与叶轮螺旋倾角、喷嘴收缩角的关系,最后对射流机理进行了探讨,并给出一种微团轨道模型研究方法。