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。     

高速列车转向架舱风洞试验研究

针对高速列车转向架舱的几何外形特点,提取5个设计变量,设计了6种方案,对1∶8比例3编组带路基、轨道及转向架舱的高速列车模型进行了0°及-19.8°侧偏角风洞试验研究,分析了转向架舱不同设计变量对应的高速列车气动阻力特性,得到了各设计参数的减阻效果。研究表明:转向架舱内顶面采用曲面过渡,前后壁面采用倾斜壁,裙板采用全包裙板,减小内壁纵向长度等措施,可以减小列车的气动阻力。通过不同设计变量对列车气动阻力的影响度分析,表明0°及-19.8°侧偏角2种情况下内顶面倒角及内壁纵向长度均对列车气动阻力有重要影响,上述研究结果对列车局部减阻及外形优化具有参考意义。     

等离子体减阻技术的研究进展

利用等离子体的特性减小飞行器的气动阻力是一种新概念的减阻思路.目前国外的一些风洞实验和计算结果已证明了等离子体减阻效果的显著性.本文介绍了国外等离子体减阻技术的研究进展,包括:逆向等离子体喷流减阻、基于等离子体边界层控制减阻和局部施加能量点源减阻.分析了等离子体减阻的基本原理及所涉及的一些关键技术点.最后针对我国的减阻研究情况,提出了等离子体减阻技术的研究方向.      

翼身融合布局鼓包激波减阻技术研究

为应对未来航空领域经济性和环保性要求的不断提高,本文以减小翼身融合布局(BWB)激波阻力为目标,采用计算流体力学(CFD)方法,开展了基于鼓包的弱化激波、减小激波阻力的流动控制技术研究。分析了翼身融合布局的空气动力学特点,指出了鼓包应置于相对厚度较大的中央机体和易于产生激波诱导流动分离的过渡段区域。给出了基于等熵压缩弱化激波原理的"凹-凸-凹"型非对称鼓包构造方法,设计了针对三种来流状态的三种鼓包。研究表明,三种鼓包在其设计状态下的减阻效果明显,减阻量分别为7.1counts、10.4counts和16.6counts,可消除由激波诱导的弱分离,但对强分离控制有限。非设计状态下三种鼓包均具有较好的鲁棒性,在所研究的速度范围(Ma:0.8～0.85,CL=0.286)及升力范围(CL:0.14～0.5,Ma=0.82;CL:0.12～0.5,Ma=0.83;CL:0.05～0.5,Ma=0.85)内仍可减阻。     

重型货车仿生气动减阻装置的优化设计

为了优化某重型货车的空气阻力系数,设计了针对大型货车整体的顶部仿生、底部、尾部、侧裙等4种减阻装置.采用计算流体动力学分析方法研究了4种减阻装置主要结构参数对气动阻力的影响.在此基础上采用正交试验法对4种气动减阻装置的主要参数进行了优化,获得了最优减阻效果货车模型.研究结果表明:在4种减阻装置中,顶部仿生减阻装置的弧形...     

雷诺数对运输类飞机气动特性影响的试验研究

开展了某背景飞机的高低速变雷诺数风洞试验,并对试验结果进行了分析;结合国外的一些变雷诺数风洞试验结论,给出了大展弦比运输类飞机雷诺数对升力、阻力以及俯仰力矩特性的影响规律。试验研究表明:升力特性方面,在中小迎角下,随着雷诺数增大,迎角相同时升力增加,大迎角时最大升力系数增大,失速迎角增大;阻力特性方面,随着雷诺数的增大阻力减小,并且最小阻力系数随着雷诺数对数的增加基本呈线性减小;俯仰力矩特性方面,随着雷诺数增大机翼后部载荷增大,低头力矩增大,稳定性增强。除此之外,文中还从雷诺数对气动特性影响机理角度出发,分析了这些规律形成的原因。     

抗阵风载荷的小型无人飞行器设计及相关风洞舵效比较

本文目的在于探索验证微小型飞行器的气动布局与抗突风载荷能力的关系,结合风洞试验验证了结果并进行了数据分析。在低雷诺数条件下采用大边条、小展弦比非常规的气动布局设计,根据性能指标要求对飞行器的机翼面积、翼展、翼型等相关参数进行了分析设计;运用数值模拟等手段对全机简化模型进行了气动力计算,对结果进了行初步的定性分析,为初始的设计提供了验证;结合实际的靶机制作得到了实际飞机的风洞验证缩比模型,对其进行了风洞的常规测力实验。根据风洞试验结果对飞机升降舵舵面与副翼舵面偏转0°、±15°、±30°的气动性能进行了评估,为进一步的理论分析提供依据。结合实际外场飞行实验情况得出飞行器的实际气动性能,并对大量相关风洞试验数据进行了分析;探索性地给出了一条适用于微小型飞行器进行的新设计方法和设计流程,为设计适应于阵风载荷等恶劣气候条件下微小的型飞行器提供了参考新思路。     

超声速钝体逆向喷流减阻的数值模拟研究

为研究逆向喷流技术对超声速钝体减阻的影响,采用标准k-ε湍流模型,通过求解二维Navier-Stokes方程对超声速球头体逆向冷喷流流场进行了数值模拟,并着重分析了喷口总压、喷口尺寸对流场模态和减阻效果的影响。计算结果显示:随着喷流总压的变化,流场可出现两种流动模态,即长射流穿透模态和短射流穿透模态;喷流能使球头体受到的阻力明显减小;存在最大减阻临界喷流总压值(在所研究参数范围内最大减阻可达51.1%);在其它喷流物理参数不变时,随着喷口尺寸的增大,同一流动模态下的减阻效果下降。本文的研究对超声速钝体减阻技术在工程上的应用具有一定的参考价值。     

AERODYNAMIC OPTIMIZATION OF HIGH-SPEED TRAIN BASED ON RBF MESH DEFORMATION

基于局部型函数三维参数化方法、改进的蚁群算法和改进的克里金（Kriging）代理模型,开展了列车头型的三维气动减阻优化设计研究。为了避免复杂几何外形大变形情况下千万量级网格的重复生成,提高高速列车头型优化设计的效率,引入了缩减控制点的径向基函数网格变形技术。优化结果表明：径向基函数网格变形技术在不降低网格质量的情况下可以有效缩短网格变形的时间消耗,能够用于复杂几何外形的气动优化设计;在给定的设计空间内,控制鼻锥外形的6个关键设计参数对列车气动阻力的影响呈单调递增关系;优化后,在满足约束条件的情况下,简化外形列车的整车气动阻力减小5.41%,头尾车减阻效果明显,中间车气动阻力基本不变。     

基于表面设计减阻的水下航行体模型实验与数值分析

针对水下航行体高速航行时提高航速的需要,开展近壁面湍流边界层减阻的研究。进行表面设计使旋涡流动加强导致局部空化从而产生壁面附着的微气泡,以降低流体粘性系数,伴随近壁面湍流结构的改变来实现一定幅度的减阻。设计并进行轴对称体模型在高压循环水洞中的空化现象观测和阻力测量并做了相应条件下的数值计算。。实验和数值结果分析的基本结论比较一致:某种特征表面形貌在湍流中有一定幅度的减阻,局部空化效应在中低流速下牺牲压差阻力而导致航行总阻力升高,在高流速条件下则降低总阻力。     

大型飞机阻力预示与减阻研究

简要说明了大型飞机减阻的重要意义,对国内外大型飞机计算流体动力学(CFD)和风洞实验等阻力预示技术进行了初步的评估和分析,重点论述了大型飞机减阻气动布局及装置、减低诱导阻力方法和减低摩阻方法的研究现状和发展趋势,指出中国需要进一步提高CFD和风洞实验阻力预示技术水平,同时加强对气动布局、优化设计以及流动控制等基础科学技术问题的研究. 对中国发展大型飞机能起到借鉴和参考的作用.     

A NUMERICAL STUDY OF OPTIMAL DRAG REDUCTION FOR TURBULENT TRANSONIC PROJECTILES USING A PASSIVE CONTROL

Abstract

The purpose of this research is to numerically study a drag reduction method—passive control of shock/boundary layer interaction, which is applied to the boattail portion of a secant-ogive-cylinder-boattail projectile in turbulent transonic flows. The flow pattern and the components of aerodynamic drag computed from numerical data are analyzed. The effectiveness of this method is studied by varying the values of parameters such as porosity distribution, maximum porosity factor and size of porous region. The conditions for optimal drag reduction are investigated and reported. The present results show that the use of this passive control method can not only reduce the boattail drag but also the base drag, and results in an additional 8% total drag reduction compared to that without the passive control technique. This passive control method can be an effective approach for the design of high-performance projectiles in the transonic regime.     

DRAG REDUCTION TECHNIQUE FOR LARGE TRANSPORT AIRCRAFT

回顾了到目前为止可能用在大型飞机上的相关减阻技术,从三个方面(减小摩擦阻力、降低诱导阻力、减小激波阻力)详细介绍了多种减阻技术的方法和原理. 其中减小摩擦阻力分成层流减阻和湍流减阻两个部分. 层流减阻中吸气控制方法、湍流减阻中沟槽壁面控制方法、翼梢小翼技术、激波鼓包技术等都有可能成为改进新一代大型运输机阻力特性的实用技术. 粗糙阵列、等离子体激励器、动态控制三维鼓包等新技术也为减阻技术的实际应用提供了新的可能性.     

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。     

翼面气动外形对栅格翼减阻的影响

从节约空间的角度考虑,带一定弧度的翼面有利于栅格翼在弹体上的安装.通过风洞实验研究了两种不同安装方式的弧形翼面栅格翼的气动特性,并和翼面无弧度的栅格翼进行比较.结果显示,弧形翼面的栅格翼阻力系数均小于翼面无弧度的栅格翼,升阻比除跨音速阶段外比后者表现更好,同时对一种前缘后掠的栅格翼模型进行了数值计算,比较研究结果显示,对栅格翼的迎风面栅格进行一定角度的后掠能有效减小超音速阶段的波阻,是一种栅格翼减阻设计的新思路.     

Experiments with three-dimensional riblets as an idealized model of shark skin

The skin of fast sharks exhibits a rather intriguing three-dimensional rib pattern. Therefore, the question arises whether or not such three-dimensional riblet surfaces may produce an equivalent or even higher drag reduction than straight two-dimensional riblets. Previously, the latter have been shown to reduce turbulent wall shear stress by up to 10%. Hence, the drag reduction by three-dimensional riblet surfaces is investigated experimentally. Our idealized 3D-surface consists of sharp-edged fin-shaped elements arranged in an interlocking array. The turbulent wall shear stress on this surface is measured using direct force balances. In a first attempt, wind tunnel experiments with about 365,000 tiny fin elements per test surface have been carried out. Due to the complexity of the surface manufacturing process, a comprehensive parametric study was not possible. These initial wind tunnel data, however, hinted at an appreciable drag reduction. Subsequently, in order to have a better judgement on the potential of these 3D-surfaces, oil channel experiments are carried out. In our new oil channel, the geometrical dimensions of the fins can be magnified 10 times in size as compared to the initial wind tunnel experiments, i.e., from typically 0.5 mm to 5 mm. For these latter oil channel experiments, novel test plates with variable fin configuration have been manufactured, with 1,920–4,000 fins. This enhanced variability permits measurements with a comparatively large parameter range. As a result of our measurements, it can be concluded, that 3D-riblet surfaces do indeed produce an appreciable drag reduction. We found as much as 7.3% decreased turbulent shear stress, as compared to a smooth reference plate. However, in direct comparison with 2D riblets, the performance of 3D-riblets is still inferior by about 1.7%. On the other hand, it appears conceivable, with a careful design of the fin shape (possibly supported by theory), that this inferiority in performance might be reduced. Nevertheless, at present, it seems to be rather unlikely, that 3D-riblets can significantly outperform 2D-riblets. Finally, one interesting finding remains to be mentioned: The optimum drag reduction for short 3D-riblets occurs at a lower rib height than for longer 3D-riblets or for infinitely long 2D-riblets. The same observation had been made previously on shark scales of different species with differing rib lengths, but no explanation could be given. Received: 1 March 1999/Accepted: 16 July 1999     

脊状表面航行器模型减阻特性的风洞实验研究

针对航行器提高航程和航速的需要,开展脊状表面湍流边界层减阻的实验和数值仿真研究。在航行器模型的外表面加工具有特定形状、尺寸的脊状结构,导致湍流边界层的流动稳定性增强,壁面摩擦阻力降低。在风洞中对具有光滑表面和脊状表面的航行器模型在不同风速和攻角下进行阻力测试,得到其减阻特性曲线。实验结果表明,具有横向脊状表面的航行器模型在一定来流速度范围内具有很好的减阻效果,实验获得的最大减阻量为23.5%。数值仿真结果则发现,在脊状结构内形成了稳定的"二次涡",边界层内湍动能和湍流猝发强度降低,很好地揭示了减阻机理。     

减振阻尼材料设计方法研究

减振阻尼材料可以改变结构的阻尼特性从而降低振动响应和声辐射水平,因而被广泛应用于飞机结构的减振降噪。本文针对减振阻尼材料的设计和应用开展了一系列试验研究,首先通过材料改性得到了不同主基料下材料的配方对阻尼性能的影响;其次配制了三种不同的约束阻尼结构,通过DMA测试对比了三种约束阻尼结构的最佳使用温度和频率范围;最后对约束阻尼结构的减振效果和粘贴布局应用进行了试验,试验结果表明,约束阻尼结构具有良好的减振效果。通过研究掌握了减振阻尼材料在材料改性、约束阻尼结构设计、粘贴布局应用等方面的一些设计方法,可为后续的进一步研究提供技术支持和参考。     

Reduction of friction drag by means of boundary layer laminarization using a dielectric barrier discharge

The results of an experimental investigation of the possibility of skin friction drag reduction by delaying laminar-turbulent transition under the action of near-surface dielectric barrier discharge are presented. The measurements were carried out on the lower plane wall of the test section of a wind tunnel at the flow velocity of 10 m/s and the turbulence level of about 0.06%. It is shown that the use of a discharge excited at the beginning of the laminar-turbulent transition region makes it possible to obtain an appreciable (up to 20%) reduction in the friction drag.