伸缩翼飞机纵向飞行动力学研究

研究了可变翼展飞机在变翼展过程中的气动特性及纵向飞行动响应。首先基于多刚体系统动力学方法建立了可伸缩机翼飞机的动力学模型,进而获得了纵向飞行动力学方程;然后分析了飞机质心、质量矩、惯性矩随翼展的变化规律;最后通过实时气动力计算和纵向飞行动力学方程联立求解,获得了不同翼展下的飞机升力、阻力、力矩及纵向飞行动响应。结果表明:在相同迎角条件下,大翼展飞机的升力性能与小翼展飞机的升力性能相比有较大的优势;未加控制时机翼收缩导致飞机阻力和升力减小,飞行速度增大;为维持变翼过程的稳定飞行,需要对俯仰运动施加控制。     

CFD在飞翼标模支撑干扰影响研究中的应用

支撑干扰修正一直是风洞试验的一个重点和难点,特别是对于尾部扁平的飞翼布局飞行器,阻力和俯仰力矩是一个小量,进行风洞试验时,尾部需要局部放大,对阻力和俯仰力矩的影响相对较大,这就使得风洞试验时对支撑影响修正方法提出了更高的要求。本文采用CFD数值模拟手段针对小展弦比飞翼标模开展了网格收敛性和支撑干扰影响研究,分析了尾支撑对飞翼气动特性、压力分布和流场结构的影响,为进一步开展风洞试验的支撑干扰修正提供了依据。在典型工况下,支撑干扰会导致升力系数减小,阻力系数减小,抬头力矩增大;试验模型后体放大和支撑存在会导致飞翼标模上表面压力增大,激波强度变弱,尾部分离区域减小。     

地面效应影响下的高速火箭橇气动特性数值与风洞试验研究

精确预示地面效应下高速火箭橇的气动特性及流场规律对高速火箭橇的设计和评估具有重要意义。本文应用有限体积方法,研究了湍流模型对火箭橇气动特性计算精度的影响,建立了基于realizable k-ε湍流模型的火箭橇气动特性的高精度数值计算方法;结合风洞试验方法,研究了雷诺数和地面效应对高速火箭橇流场流动规律的影响,分析了火箭橇气动特性。结果表明,火箭橇阻力系数随雷诺数增大而减小,升力系数和俯仰力矩系数随雷诺数增大而增大,但雷诺数对高速火箭橇气动特性的影响较小;地面效应会使火箭橇流场发生激波-激波干扰、激波-边界层干扰和激波反复反射等复杂气动现象,大幅提升了火箭橇的升力系数和俯仰力矩系数,但对阻力系数的影响较小。研究为高速火箭橇气动外形的设计及运动稳定性的评估提供依据。     

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.     

多控制面尺寸对前掠翼静气弹响应影响分析

针对多控制面尺寸对弹性前掠翼静气弹响应的影响,基于计算流体力学/计算结构力学(CFD/CSD)松耦合静气动弹性数值计算方法,计算和分析了亚声速条件下前、后缘控制面弦向和展向尺寸对前掠翼模型气动特性和弹性变形特性的影响。计算结果表明:当前缘控制面弦向尺寸增大而后缘控制面弦向尺寸减小时,升力特性在迎角变化呈现相反特性,较小迎角条件下,升力特性逐渐变差,较大迎角条件下变好;当前缘控制面弦向尺寸增大而后缘控制面尺寸减小时,较小迎角条件下弯曲变形和扭转变形减缓,而较大迎角时相反;随着前、后缘控制面展向尺寸的增大,升力系数增大,升力特性提高;当前、后缘控制面展向尺寸逐渐增大时,较小迎角条件下弯曲变形加剧,扭转变形减缓,而较大迎角条件下弯曲和扭转变形均有所减缓。计算分析得到的规律可为前掠翼飞行器的设计及优化提供有益参考。     

横摆振荡翼型动态气动掠效应试验研究

大型风力机设计对获取翼型更加全面、准确的动态载荷提出更高要求,研究翼型横摆振荡动态气动特性具有重要意义.借助"电子凸轮"技术和动态数据同步采集手段,针对翼型动态"掠效应"首次开展了横摆振荡风洞试验研究,研究表明:横摆振荡翼型的气动曲线存在明显迟滞效应,吸力面压力周期性波动是主要诱因,且随着振荡频率、初始迎角和振幅的增大,气动迟滞特性均增强;升力和压差阻力随横摆角变化的迟滞回线呈"W"形,俯仰力矩迟滞回线呈"M"形,升力差量迟滞回线呈"∞"形;负行程下翼型气动力相对于正行程下的更高,且负行程下翼型气动力随振荡频率的增大而略有增大,正行程下则明显减小;升力系数功率谱密度分布在振荡频率倍频处的能量集中的幅值随着振荡频率增大有增大趋势;吸力面1.2%和40%弦长处压力的滞回特性较强,是由于翼面剪切层涡和动态分离涡周期性发展、运动、破裂和重建;振幅为10?时,升力迟滞曲线呈"∧"形,振幅为30?时,升力迟滞曲线呈"∧∧∧"形.     

飞机大迎角俯仰运动下的横侧向气动特性及被动控制

在南航3m低速风洞内,利用一套两自由度动态试验机构,通过测力实验研究了某飞机模型静态和俯仰动态过程中大迎角下的横侧向气动特性,分析比较了在模型头部加上扰动片后,对横侧向气动特性产生的影响.研究结果表明,模型在静态大迎角下会产生较大的侧向力和偏航力矩,而模型的快速上仰过程则进一步加剧了模型头部流动的非对称性,在大迎角下产生较大的偏航力矩迟滞环;当在模型头部加扰动片后,不论是静态过程还是动态过程,都使得模型的侧向力和偏航力矩减小,从而改善了俯仰运动过程中大迎角下的横侧向气动特性.     

三角翼动态大迎角气动力特性数值分析研究

采用数值计算方法,对三角翼从 0°上仰至 90°的动态流场和气动力特性进行了计算,并对俯仰角速度对三角翼流场和气动力特性的影响进行了计算分析。给出了三角翼纵向动态情况下的气动力系数变化,特别是大迎角横侧力矩系数的变化特征。结果表明,随着机翼俯仰角速度的提高,前缘分离涡破裂位置相对滞后,机翼升力和阻力系数明显增加,机翼抵抗旋涡非对称破裂的能力明显增强。     

横摆振荡翼型动态气动掠效应试验研究

大型风力机设计对获取翼型更加全面、准确的动态载荷提出更高要求, 研究翼型横摆振荡动态气动特性具有重要意义. 借助"电子凸轮"技术和动态数据同步采集手段, 针对翼型动态“掠效应”首次开展了横摆振荡风洞试验研究, 研究表明: 横摆振荡翼型的气动曲线存在明显迟滞效应, 吸力面压力周期性波动是主要诱因, 且随着振荡频率、初始迎角和振幅的增大, 气动迟滞特性均增强; 升力和压差阻力随横摆角变化的迟滞回线呈"W"形, 俯仰力矩迟滞回线呈"M"形, 升力差量迟滞回线呈"$\infty$"形; 负行程下翼型气动力相对于正行程下的更高, 且负行程下翼型气动力随振荡频率的增大而略有增大, 正行程下则明显减小; 升力系数功率谱密度分布在振荡频率倍频处的能量集中的幅值随着振荡频率增大有增大趋势; 吸力面1.2%和40%弦长处压力的滞回特性较强, 是由于翼面剪切层涡和动态分离涡周期性发展、运动、破裂和重建; 振幅为$10^{\circ}$时, 升力迟滞曲线呈"$^{\wedge}$"形, 振幅为$30^{\circ}$ 时, 升力迟滞曲线呈"$^{\wedge\wedge\wedge}$"形.      

翼型模型振动的实验研究与气动特性分析

通过在NF-3低速风洞专门研制的翼型模型及相应的俯仰和沉浮振动机构,选用NACA0012翼型进行大迎角下不同频率的振动实验,研究了模型振动平均状态下对其气动力特性的影响情况,并在N-S方程基础上对振动流场进行了初步分析。实验与计算研究的结果表明:在临近定常失速迎角的大迎角条件下,翼型的振动可以引起旋涡分离,导致翼型升力减小和失速迎角的提前;就所讨论的两种振动模式而言,俯仰振动的影响大于沉浮振动。所以,为了提高飞机模型,尤其是大展弦比飞机模型的风洞实验精准度,在模型设计和加工时要特别注意加强机翼弦向的扭转刚度。     

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。     

合成射流对失速状态下翼型大分离流动控制的试验研究

为研究低速状态合成射流在抑制翼型气流分离和推迟失速方面的控制机理, 开展了NACA0021 翼型失速特性射流控制的风洞试验研究. 通过系统性的模型测力、翼型瞬态流场粒子图像测速和边界层速度测定的对比试验, 深入探索了合成射流各参数对翼型失速特性控制效果的影响规律. 试验结果表明射流偏角在翼型升力和失速迎角控制方面的效果对射流动量系数较为敏感: 当动量系数较大时, 近切向射流的控制效果更好. 射流动量系数为0.033 时, 偏角30°的射流使得翼型升力系数峰值提高23.56%, 失速迎角增大5°; 而动量系数较小时, 偏角较大的射流能够获得最佳控制效果. 射流动量系数为0.0026 时, 法向射流对翼型最大升力系数控制效果最好(提高9.2%).      

基于动网格技术的柔性后缘自适应机翼气动特性分析

研究了带柔性后缘的可变弯度自适应机翼在自适应变弯度过程中的气动特性.自适应变弯度过程中的气动力计算采用了基于弹簧理论的非结构动网格技术,求解NS方程时采用有限体积的二阶迎风格式离散,时间推进为隐格式双时间推进方法.通过计算柔性后缘机翼的升力特性、阻力特性及升阻比特性,并与带刚性后缘机翼的气动特性进行比较,发现柔性后缘机翼在后缘偏转时,其最大升阻比对应的迎角随着偏转角增大而降低.在中等迎角及接近失速迎角情况下,柔性后缘机翼升力系数明显优于刚性后缘机翼,并且其升力线变化较为平缓,有效迎角范围更大.     

基于后缘小翼的翼型反流动态失速主动控制试验研究

针对直升机旋翼反流区因反流动态失速导致的非定常载荷、阻力激增以及负升力等问题,开展了基于后缘小翼的翼型反流动态失速主动控制试验研究.采用动态压力测量结合翼型表面压力积分的方法,重点分析了后缘小翼不同的振荡相位差、幅值和减缩频率对反流动态失速控制的影响规律,对比了后缘小翼动态偏转和固定偏转的差异,试验雷诺数Re=3.5×10⁵.结果表明,当后缘小翼与翼型以相同的频率正弦振荡运动,且二者的相位差为0°时,能改善反流动态失速过程中钝几何前缘的流动分离,并在反流状态下实现了翼型负升力系数下降21.2%,阻力系数下降37.5%,俯仰力矩系数迟滞环面积下降44.6%的控制效果;动态偏转的后缘小翼对翼型反流动态失速的控制效果随后缘小翼振荡幅值的增加而增加,但进一步增加振荡幅值对于控制效果的提升有限;当减缩频率增加时,动态偏转的后缘小翼对反流状态下翼型阻力的控制效果会更加明显;后缘小翼的动态偏转与固定偏转都能有效改善翼型在反流中的动态气动性能,但是动态偏转对于不同翼型迎角的适应能力优于固定偏转,并取得了更好的非定常载荷控制以及更好的阻力和负升力改善效果.     

超空泡航行器尾喷管实验研究

为了进一步研究尾喷管对航行器空泡形态及其力学特性的影响,在高速水洞中进行了尾喷管对超空泡形态、闭合性及其力学特性的系列实验研究.实验结果显示尾喷管长度对空泡形态和力学特性有较大影响.相同通气流量率下,尾喷管对超空泡具有拉伸效果,会改变通气空化数;并对空化阻力、升力和俯仰力矩都有较为明显的影响,且升力通道和俯仰力矩通道对尾喷管长度变化响应较为敏感.     

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%.     

基于LBM-LES方法翼型纯音噪声数值研究

基于LBM-LES方法,对中低雷诺数下的NACA0012翼型纯音噪声进行了直接计算,研究了不同迎角和雷诺数对纯音噪声的影响。计算结果表明,翼型的声源主要位于翼型的分离区和后缘处,在不同迎角和雷诺数下的声辐射特征均具有偶极子声场的特点;迎角的增大将引起较大的旋涡尺度和湍流强度,吸力面声源区域前移。声压级频谱分析表明,随着迎角的增大,纯音噪声逐渐消失,噪声谱最终呈现宽频特征;随着雷诺数的增大,后缘压力脉动增大。声压级频谱中,主频频率随着雷诺数的增大而增大,且符合Paterson公式的幂律关系。此外,声压级频谱特性随着雷诺数的增大表现出由离散特性向宽频特性转变的趋势。     

不同高度柔性植被对坡面流水动力特性的影响

基于系列坡面流试验,研究了柔性植被的高度(4 cm,8 cm和15 cm)对坡面流水动力特性的影响.研究表明:覆盖率相同时,4 cm植被阻水效果最好,15cm最差,而该差异随着坡度增大而减小.4 cm和8 cm植被覆盖时,水流阻力系数随雷诺数增加先减小后增加,这是由于雷诺数较小时水流阻力主要以床面阻力为主,雷诺增大时主要以植被阻力为主.另外,通过染色剂法测得光滑床面平均流速修正系数为0.2～0.4,有植被覆盖床面为0.4～0.8,且修正系数随平均流速增大而增大.     

电磁极宽度对圆柱绕流场影响的数值分析

在雷诺数Re=200的情况,利用Maxwell方程直接数值计算表面包覆电极与磁极圆柱体产生的电磁力分布,将其加入到动量方程中,在各种电磁力作用参数和电磁极宽度的组合下,对表面覆盖电磁极圆柱体在弱电解质中的绕流场结构及其升阻力特性进行了数值模拟与分析.结果表明,当电磁极宽度较小时,圆柱体绕流场的分离点越容易接近后驻点,而电磁力对总阻力的影响并不明显,但对压差和摩擦阻力均有明显影响.当电磁极宽度较大时,圆柱体尾部区域越容易产生射流现象,而且总阻力随电磁力作用参数和电磁极宽度增大而减小.在电磁力尚不足以完全抑制周期性涡脱落的情况下,升力幅值随电磁力作用参数增大而减小,但随电磁极宽度则先减小后略有增加,升力脉动频率则均随电磁力作用参数和电磁极宽度增大而增加.研究表明,电磁力可以有效地改善圆柱体绕流场结构,达到减小圆柱体阻力并抑制其脉动升力之目的,因此是圆柱型结构的一种有效流动控制手段.     

扑翼飞行器带翼刀机翼气动特性实验研究

通过进行微型扑翼飞行器低速风洞试验,研究了带弯度机翼下翼面翼刀对扑翼飞行器升阻特性的影响。文中进行了带翼刀机翼和不带翼刀机翼在不同迎角下的风洞吹风试验。试验结果表明,带翼刀机翼升力系数大于不带翼刀机翼升力系数,从而证明了翼刀可以阻止机翼下表面气流展向流动,起到增加机翼升力的作用。当扑翼在小迎角飞行时,带翼刀机翼可以有效地提高扑翼的气动效率,改善扑翼的飞行性能。研究结果可为带翼刀机翼在扑翼飞行器上的应用提供技术支持。