超高雷诺数下矩形截面气动特性研究

为研究工程常见的超高雷诺数下矩形柱流场特性和气动特性,以常见的起重机单箱梁截面(梁高h=1m,雷诺数Re=6.85×105)为例,采用雷诺平均RANS Realizable k-ε方法,对中等湍流强度来流下矩形柱绕流进行数值模拟。首先进行网格无关性验证,然后选取宽高比为0.6、0.8、1.0、1.5、2.0共5组不同截面的矩形柱结构进行流场分析与研究。通过对比不同宽高比柱体截面周围的气动特性参数,以及尾流区的尾涡、回流参数等特征量表明:阻力系数、平均背压系数、升力系数均方根、斯托罗哈数等均随着宽高比增大而降低,尾涡宽度和距离随着宽高比增大而减小,回流长度和最大回流速度随宽高比增大而增大。同时,通过与相关雷诺数(Re=104～105)的风洞实验和仿真结果进行对比,发现其在数值上和参考值相差很小,说明高雷诺数对绕流参数的影响很小,可为相关工程设计提供参考。     

雷诺数对湍流特性的影响

主要对近年来关于雷诺数（Ｒｅ）对湍流特性的影响的研究进行了回顾．研究表明除径向偏斜系数和平坦系数分布外,确实存在一个不受Ｒｅ数影响的区域,但对于不同的物理量这一区域的范围是不同的,即使是同一物理量不同研究者的结果亦不尽相同,显示了近壁区流动的复杂性和测量的困难,激光测速技术（ＬＤＶ）由于其具有测量精度高、不干扰流场、空间分辨率细等优点,近年来广泛地应用于对湍流,特别是对湍流近壁区流动特性及Ｒｅ数对湍流统计特性影响等的精细测量,随着ＬＤＶ自身及其它相关测试技术的进一步改进,ＬＤＶ在了解湍流产生机理、能量转换等方面发挥着越来越重要的作用．     

基于低雷诺数串置翼型气动特性研究

基于低雷诺数,应用二维CFD方法,对串置翼型的气动特性进行了数值模拟。比较了串置翼型布局与常规单独翼型的升阻特性。分析了翼差角度对串置翼升阻特性的影响,并且在保持鸭翼±5°偏角不变的同时,研究了两翼之间的距离以及安装的相对高度对整个串置翼型升阻特性的影响。发现上鸭翼与主翼相结合具有相对较高的最大升力系数和临界迎角, 可以显著改善串置翼型的气动特性。     

雷诺数效应对翼型抖振特性的影响

飞行器抖振是一种非线性气动弹性问题,当飞行器进入抖振阶段时,将会对飞行器的性能产生严重影响。而在跨声速条件下,激波附面层相互作用会诱导机翼抖振。本文开展了跨声速条件下翼型抖振特性雷诺数效应的实验研究,揭示了翼型跨声速抖振起始迎角、激波运动前缘边界、频谱特性、抖振频率与雷诺数变化的基本规律。结论如下:雷诺数变化会导致抖振起始边界的改变,对抖振起始迎角下的功率谱密度峰值有明显影响;随着雷诺数的增大,激波运动的前缘后移。雷诺数变化对抖振频率有明显影响,随着马赫数增大,雷诺数效应增强。     

低雷诺数翼型蒙皮主动振动气动特性及流场结构数值研究

针对低雷诺数(Re)翼型气动性能差的特点,文章通过对翼型柔性蒙皮施加主动振动的方法,提高翼型低Re下的气动特性,改善其流场结构.采用带预处理技术的Roe方法求解非定常可压缩Navier-Stokes方程,对NACA4415翼型低Re流动展开数值模拟.通过时均化和非定常方法对比柔性蒙皮固定和振动两种状态下的升阻力气动特性和层流分离流动结构.初步研究工作表明在低Re下柔性蒙皮采用合适的振幅和频率,时均化升阻力特性显著提高,分离泡结构由后缘层流分离泡转变为近似的经典长层流分离泡,分离点后移,分离区缩小.在此基础上,文章更加细致研究了柔性蒙皮两种状态下单周期内的层流分离结构及壁面压力系数分布非定常特性和演化规律.蒙皮固定状态下分离区前部流场结构和压力分布基本保持稳定,表现为近似定常分离,仅在后缘位置出现类似于卡门涡街的非定常流动现象.柔性蒙皮振动时从分离点附近开始便产生分离涡,并不断向下游移动、脱落,表现为非定常分离并出现大范围的压力脉动.蒙皮振动使流体更加靠近壁面运动,大尺度的层流分离现象得到有效抑制.      

机翼上反角对纵向气动特性的影响研究

利用有限体积法离散求解雷诺平均 Navier-Stokes方程,计算了具有不同机翼上反角的翼身组合体构型;着重研究了机翼上反角对纵向升阻、俯仰力矩特性的影响规律;并通过展向压力分布的对比,首次从机理上对这种影响进行了探索解释,为气动布局机翼安装参数的设计提供了思路和参考.研究结果表明:由于上反角主要改变了弦向前50%部分的压力分布,所以机翼上反角越大,前缘上表面吸力峰与下表面正压力下降越多,激波向前移动越大、强度更弱,从而升力、阻力、升阻比均减小.本文在上反角小于9°范围内,上反角每增加1°,升力系数降低0.005,阻力系数降低0.0002,升阻比降低0.04,俯仰力矩导数降低0.001,典型剖面压力最小值降低1%,激波位置前移1.6%.     

低雷诺数下附面层组合抽吸方案对压气机特性影响的研究

为了分析附面层抽吸流动控制对低雷诺数下压气机特性的影响,本文采用数值方法模拟了低雷诺数下附面层组合抽吸方案对NASA Rotor 37跨音速压气机性能和稳定性的影响特点及作用机理。通过在该压气机转子叶片吸力面和机匣上分别设计附面层抽吸槽,探讨了组合抽吸方案对低雷诺数下(H=20km)压气机性能和稳定性的影响。结果表明:采用组合抽吸方案后,压气机峰值效率提高约1.3%;压气机最大增压比提高约2.5%;压气机转子的近失速点流量减小约14.6%。进一步分析作用机理发现,组合抽吸槽有效抑制了附面层径向涡向叶顶的运动和聚集,使叶顶附面层分离区减少约70%从而有效改善了压气机的流场特性。     

运输类飞机机身大开口结构加强方式理论研究

为了对运输类飞机机身大开口结构进行加强,满足刚度连续变形协调的设计要求,本文对机身大开口结构和完整机身结构的刚度进行了深入研究,首先简化了计算模型,对刚度进行了计算,提出了刚度比的定义,得出刚度比与大开口角度、机身半径、蒙皮厚度以及边梁面积之间的关系表达式,得到运输类飞机机身大开口结构加强的原则和方法,在型号上成功得到了应用,用于指导初期的结构设计.     

飞机机翼气动外形优化设计研究

本文首先对某飞机原机翼外形进行了详尽的气动分析计算,然后确定了设计思路和方案,探讨了后掠角变化对机翼气动性能的影响,研究选定了减小外翼后掠角的机翼新平面形状,采用先进的CFD软件优化机翼的气动设计,根据不同设计思想进行了多个机翼的外形优化,包括新的翼剖面和弯扭配置,最后将优化设计结果与原机翼进行了对比,对比结果表明,以Q5-M2T和Q5-N2T为代表的优化结果取得了十分理想的改进效果,优化机翼提高了气动性能,机翼升阻比提高了20%-30%,满足了飞机载弹量增大后性能仍可以全面提高的设计要求。     

螺旋桨滑流对飞行器气动特性的影响机理研究

通过基于有限体积的CFD数值方法研究了MA60飞机螺旋桨滑流对于该飞行器的气动特性影响机理。为了高效计算、准确描述螺旋桨的旋转运动产生的非定常流场,本文采用嵌套网格技术来实现这一过程,有效避免了螺旋桨运动过程中产生的网格变形失效等问题。数值模拟结果表明:滑流非定常计算的表面气动压力可以很好地与实验结果吻合;螺旋桨滑流状态的非定常气动力与定常计算的结果有较大差异,螺旋桨具有较大的拉力且为同向旋转,产生不对称的气动载荷,导致飞机的升力增大,侧向力增大,并且产生正的滚转力矩和负的偏航力矩。本文研究表明,在该类型飞行器设计过程中,考虑滑流影响可以更加准确地描述飞行过程中的气动载荷。     

扑翼柔性及其对气动特性的影响

以往对扑翼气动特性的研究基本上都是基于简单的匀速刚性模型,但是通过大量观察不同飞鸟的扑翼动作发现,该模型与鸟翼的实际扑动还有很大差别。鸟翼不但上扑段和下扑段所需时间不同,而且在扑动过程中,鸟翼的形状无论沿弦向或展向都存在着相当大的柔性变形。本文在原有匀速刚性模型的基础上,加入了扑动速率变化和形状变化的影响,得出新的变速柔性扑翼分析模型,使之更接近鸟翼柔性扑动的真实情况。通过对比计算发现,柔性变形对扑翼的升力与推力都有着显著影响,如果控制得当,柔性变形能大大改善扑翼的气动性能。     

漂浮运动对风力机气动特性的影响分析

海上浮式风机为蕴藏丰富的深海风能开发提供了有效的解决方案,浮式基础存在的大幅度纵荡、纵摇和艏摇运动可以改变风轮与流场间的相互作用,从而影响风力机的气动特性。基于叶素-动量理论及其修正方法,以NREL 5MW风力机为研究对象,考虑浮式基础运动对叶片不同径向位置处相对入流风速的影响,提出了风载荷的计算模型,通过编程计算获得了叶轮转矩和风力机功率,并比较了不同运动形式对风力机功率波动的影响。结果表明,纵摇对其功率特性影响最大,这为海上浮式风机的优化设计提供理论依据与数据基础。     

雷诺数对三角翼绕流的影响

应用染色液流动显示技术研究了雷诺数对６０°尖前缘三角翼前缘涡破裂位置、背风面流动结构等的影响，并详细分析了背风面流动随攻角的变化．     

局部粗糙机翼表面气动特性影响研究

采用柱型粗糙元,以尖劈和机翼外形为基础,利用CFD数值模拟方法,研究机翼表面局部粗糙区域对其周围气动特性的影响。研究相同粗糙元高度下,粗糙元位于尖劈表面不同位置时局部边界层和气动特性的变化情况;基于流动分区理论,采用空气动力学理论分析与数值模拟结合的方法,分析F16机翼可接受的局部粗糙元高度;根据分析结果,在改进平板外形基础上,验证不同粗糙元高度对改进目标块区域气动特性的影响程度,并给出流经局部粗糙区域的流体发展状况。为了验证数值结果的准确性,采用S-A与SST湍流模型进行对比求解。本文工作对复杂大气环境引起的飞行器局部粗糙表面区域气动特性变化的研究具有指导意义。     

相对弯度对低雷诺数流动中翼型动态气动力特性的影响

以固定翼微型飞行器为研究背景,研究了相对弯度对低雷诺数流动中翼型动态气动力特性的影响规律。采用Roe迎风差分格式和双时间步迭代方法,数值求解拟压缩性修正不可压Navier-Stokes方程组,给出了数值算法与实验数据的对比验证。以翼型弦长为特征长度,在Re=500~50000情况下,选取不同最大相对弯度和不同最大相对弯度位置的翼型,计算了其等速上仰时的动态气动力,结果表明后者对气动力的影响比较显著,把最大弯度位置布置在翼型弦向40%的地方要比布置在30%和50%两处所获得的动态升阻比大。     

褶皱幅度对仿生翼型滑翔气动特性的影响

蜻蜓翅膀具有独特的褶皱状形貌．研究者们致力于利用仿生学原理,设计在低雷诺数条件下具有更优气动性能的褶皱翼型．本文采用计算流体力学方法,求解二维不可压Navier-Stokes方程组,探讨了四种翼型（平板翼型、流线翼型、小幅度褶皱翼型和大幅度褶皱翼型）的气动表现．在低雷诺数条件下得到以下结果：(1) 较小幅度的褶皱结构有利于增加升力和减小阻力．(2) 雷诺数变化时褶皱翼型的升力系数呈非线性变化;在特定雷诺数区间,幅度相近的褶皱翼型会发生相对气动优势的转变．(3) 褶皱结构内的回流区通过减小粘性阻力,使得翼型总阻力下降．(4) 翼型前缘的极小区域会产生脉冲高升力,对升力表现产生较大影响．这些结果表明,调整褶皱幅度是实现褶皱翼型气动优化的有效方案．     

弹性振动对翼型气动特性影响的数值模拟

通过求解雷诺平均非定常Navier-Stokes方程,采用数值模拟方法计算了俯仰和沉浮振动对NACA0012翼型平均气动特性的影响.结果表明:对于俯仰运动而言,在迎角13α≤时的升力°和力矩曲线的线性段部分,振幅角的变化对动态平均升力系数和动态平均力矩系数的影响不明显,与静态时的情况基本一致;当迎角14α≥时,翼型振动的平均升力系数和动态平均力矩系数小°于静态时的情况.同一迎角条件下的俯仰振动频率越高时,其动态的平均升力系数和动态平均力矩系数越大,频率较高时的失速迎角相对于频率较低时的情况有所推迟,但相对于静态的失速迎角而言,不同频率下的动态失速迎角均提前.对于沉浮运动而言,动态平均升力系数随振幅和频率的增加而减小,动态失速迎角随振幅和频率的增大而提前.     

某型电动飞机气动特性数值模拟与风洞实验

为了验证某型大展弦比电动飞机气动设计的合理性以及为飞行性能及品质计算提供数据,采用有限体积法离散求解三维可压雷诺平均Navier-Stokes方程,并选用Spalart-Allmaras湍流模型对该电动飞机流场进行CFD数值模拟。结果表明,该型电动飞机气动设计合理,巡航速度升阻比最高可达23,具有较高气动效率;通过CFD数值模拟得到了全机升力系数、阻力系数和升阻比。为了验证CFD计算结果,对该型电动飞机进行了缩比模型风洞实验,结果显示,CFD数值模拟法计算结果与风洞实验结果高度吻合,说明CFD计算结果准确。该方法可为大展弦比电动飞机气动设计提供指导。     

基于遗传算法的飞机气动优化设计

建立了一种以实数编码技术为基础的遗传算法模型，并把它与通过工程估算的气动分析方法相结合，进行飞机气动形的单点和多点优化设计。 优化设计中，设计变量取机为机翼、机身和尾翼的外形及三者之间的相对位置，优化目标是使飞机在跨音速和超音速飞行状态下获得配平状态下最大的升阻比。设计结果表明该优化设计方法是十分有效的，可以用来具有正常布局形式的飞机进行气动外形的优化设计。     

N-S方程数值研究翼型对微型扑翼气动特性的影响

首先基于嵌套网格发展了一套适用于三维扑翼研究的非定常雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程数值模拟方法.为了解决微型扑翼在低马赫数下的收敛问题,使用了预处理方法,湍流模型为BL模型.在该方法的基础上,保持状态参数和扑翼表面形状一定的情况下,分别研究了一系列不同厚度、不同弯度的翼型对于微型扑翼气动特性的影响....