模型昆虫翼作非定常运动时的气动力特性

基于Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程的数值解,研究了一模型昆虫翼在小雷诺数（Ｒｅ＝１００）下作非定常运动时的气动力特性,这些运动包括：翼启动后的常速转动,快速加、减速转动,常速转动中快速上仰（模拟昆虫翼的上挥或下拍、翻转等运动）有如下结果：在小雷诺数下,模型昆虫翼以大攻角（α＝３５°）作常速转动运动时,由于失速涡不脱落,可产生较大的升为系数。其机理是：翼转动时,翼尖附近（该处线速度大）上翼面压强比翼根附近（该处线速度小）的小得多,因而存在展向压强梯度,同时存在着沿展向的离心力,此展向压强梯度和离心力导致的展向流动在失速涡的轴向方向,其可避免失速涡脱落。模型昆虫翼在快速加、减速转动和快速上仰运动中,虽然雷诺数小,但由于在短时间内产生了大涡量,也可产生十分大的气动力,例如在快速上仰运动中,升力系数可大于１０。     

昆虫拍翼方式的非定常流动物理再探讨

基于提出的理论模化方法来探讨昆虫拍翼方式的非定常流动物理. 以悬停飞行为 例,通过对拍翼运动的分析,不仅解释了昆虫利用高频拍翼的方式为何能够克服低雷诺数带 来的气动局限性(St \gg 1/Re),而且还指出高升力产生和调节的3个流动 控制因素：(1) 由于拍翼的变速运动即时引起了流体动力响应,这种附加惯性效应 可产生瞬时的高升力; (2) 保持前缘涡不脱离翼面有助于减少升力的下降; (3) 增大后缘涡的强度并加速其脱离后缘能够有效地提高升力.     

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。     

振动叶栅非定常气动力的数值分析及应用

利用双时间方法结合运动网格求解Navier-Stokes方程，完成了振动叶栅非定常气动力的数值分析。运用流动显示和频谱分析技术，研究了振动叶栅非定常绕流与气动力的特征。根据能量法原理，对振动叶栅的气动弹性稳定性进行了分析。     

运动激波扫过运动平板的非定常传热问题

本文研究运动激波扫过平板边界层后边界层随时间的演化。首先将霍华斯变换推广到非定常情形并引入相似参数将非定常问题化为有两个前缘的边界层问题。这时抛物型方程是奇异的。在激波附近用奇异摄动法求出级数解,然后用逆风格式数值积分将解延拓到平板前缘。     

叶轮机中振动叶片非定常气动力的研究

采用“单一叶片振动方法”代替传统的“全部叶片振动方法”，用线性化的方法推导出计算振动叶片非定常气动力（引起叶片弯曲振动）及力矩（引起叶片扭转振动）方程。通过输入叶型及气流参数，它可以方便有效地估计出作用在振动叶片上的非定常气动力和力矩，以及振动叶片不稳定工况发生的条件和范围。并在氟里昂超音速风洞上进行了实验测量，结果表明，理论计算结果与实验测试结果符合较好。     

翼型、机翼非定常运动模式下动态数值模拟

基于RANS方程,通过刚性动网格技术实现对翼型和机翼典型运动模式的描述,采用双时间推进方法和Roe空间离散格式对流场求解,构建了一个非定常气动计算平台;以NACA0012翼型为算倒进行了动态数值模拟可信度验证。数值模拟结果与试验数据吻合较好,升力和俯仰力矩的最大计算误差分别为3％和10％,表明了该平台的可靠性。另外,还数值模拟了M6机翼的动态非定常流场,并分析了两种湍流模型对非定常流场激波的捕捉能力。结果表明非定常流动中S-A湍流模型对激波的捕捉较B-L模型更敏感。文中开发的非定常计算平台对进一步解决三维复杂流场的流动问题有很高的工程应用价值。     

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．     

可变形儒可夫斯基翼型非定常气动力的研究

对于翼面变形法向运动速度远小于来流速度的儒可夫斯基机翼,将解析解和离散涡方法相结合计算变形机翼的流场及非定常气动力,较详细地分析了变形机翼升力系数的准定常计算方法的误差来源,并给出修正方法.计算结果显示脱落涡尾迹对升力系数和机翼绕流环量的影响很小,变形机翼升力系数准定常计算方法的误差丰要来源于流体非定常运动引起的虚拟质量力,该非定常附加升力仅与当前时刻飞行姿态及翼犁形状和变形速率有关,与具体的变形历史过程无关,变形机翼的升力近似等于准定常计算结果叠加上相应的虚拟质量力.     

顺桨风力机塔叶干涉翼型非稳气动力时频特性

由于风力机叶片与塔筒流场相互干涉,实际气动力与理想情况存在较大差异,这种干涉作用造成的气动力差异给叶片与塔筒结构可靠性带来不可忽视的影响.以翼型DU91-W2-250为研究对象,采用瞬态数值分析与本征正交分解方法,考虑叶片和塔筒流场相互干涉作用,分析顺桨工况翼型非稳气动力时频特性及其影响规律,量化不同雷诺数下塔叶相对位置及几何参数对气动力均值、波动幅度和频率的影响程度,通过流场模态能量分布形态分析,揭示流场干涉对气动力的影响机制.结果表明,翼型气动中心至塔筒几何中心的垂直距离、水平距离以及塔筒直径相对于翼型弦长的无量纲参数y*,x*和D*对气动力均有不同程度影响,其中y*对升阻力系数均值影响最大,对频率无明显影响,y*绝对值越大,C_l均值越接近单翼型C_l值,y*绝对值越小升阻力系数波动幅度越大,y*从-12增大到12,升力系数均值最小值为-0.48,最大值为1.16;x*减小和D*增大,反向阻力均值增大,波动幅度增大,波动频率略有下降,当x*小于临界值5时,带塔翼型阻力均值反向;在计算范围内,带塔翼型升力系数均值相对于单翼型升力系数最大偏差为...     

滑动蒙皮变后掠气动力非定常滞回与线性建模

针对低速不可压条件下滑动蒙皮方式变后掠过程中非定常动态气动特性开展了3方面的研究工作: (1)飞行器变形过程中非定常动态气动特性风洞试验技术研究;(2)变形过程中滞回效应研究和机理分析; (3)基于风洞试验结果开展变形过程中非定常动态气动力线性建模. 初步研究表明: (1)采用强迫振荡法可以有效地获取变形过程中非定常动态气动力滞回效应; (2)造成变形过程中气动滞回效应的机理有两个即``动边界效应'和``流场结构滞回效应', 造成滞回效应的机理可能主要在于后者; (3)引入升力系数和俯仰力矩系数随后掠角变化率的动导数概念, 可以建立变形过程中非定常动态气动力线性模型.      

飞行器变后掠过程非定常气动特性形成机理

可变体飞行器变后掠过程中的时变气动力与力矩特性对于飞行安全具有重要意义,是亟待深入研究的基础问题.通过风洞实验对其开展了研究,揭示了可变体飞行器变后掠引起的气动特性动态迟滞现象及滞回环大小与方向的影响因素.基于风洞实验结果和力学中一些重要概念,提出了3种物理效应:流场迟滞效应、附加运动效应、固壁牵连效应,以此定性与定量论证了可变体飞行器变后掠过程中非定常气动特性的形成机理.除了能解释实验现象,这一机理研究亦可用于后续可变体飞行器变后掠过程中的气动特性建模.     

A study on the mechanism of high-lift generation by an airfoil in unsteady motion at low reynolds number

The aerodynamic force and flow structure of NACA 0012 airfoil performing an unsteady motion at low Reynolds number (Re=100) are calculated by solving Navier-Stokes equations. The motion consists of three parts: the first translation, rotation and the second translation in the direction opposite to the first. The rotation and the second translation in this motion are expected to represent the rotation and translation of the wing-section of a hovering insect. The flow structure is used in combination with the theory of vorticity dynamics to explain the generation of unsteady aerodynamic force in the motion. During the rotation, due to the creation of strong vortices in short time, large aerodynamic force is produced and the force is almost normal to the airfoil chord. During the second translation, large lift coefficient can be maintained for certain time period and , the lift coefficient averaged over four chord lengths of travel, is larger than 2 (the corresponding steady-state lift coefficient is only 0.9). The large lift coefficient is due to two effects. The first is the delayed shedding of the stall vortex. The second is that the vortices created during the airfoil rotation and in the near wake left by previous translation form a short “vortex street” in front of the airfoil and the “vortex street” induces a “wind”; against this “wind” the airfoil translates, increasing its relative speed. The above results provide insights to the understanding of the mechanism of high-lift generation by a hovering insect. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (19725210)     

低压涡轮内部流动及其气动设计研究进展

随着高空无人飞行器研究的不断升温, 高空低雷诺数条件下动力装置的研究越来越受到人们的重视.结合近年来国内外相关领域的研究工作, 对低雷诺数低压涡轮内部复杂流动机理的研究进展进行了介绍, 包括低雷诺数情况下低压涡轮内部非定常流动的特点, 叶片边界层分离及转捩现象机理, 上游周期性尾迹与下游叶片边界层相互作用机理等. 在此基础上给出了适合低雷诺数条件的低压涡轮气动设计方法:尾迹通过与边界层的相互作用, 能够抑制分离, 进而减小叶型损失, 在气动设计中有效引入非定常效应可以大幅度提高低压涡轮的气动负荷或降低气动损失, 最终达到提高性能的目的;数值及实验结果验证了这种设计方法的有效性.      

UNSTEADY DETACHED SEPARATION FROM A CIRCULAR CYLINDER PERFORMING ROTATIONAL OSCILLATIONS IN A UNIFORM VISCOUS INCOMPRESSIBLE FLOW

The origination of detached separation is studied on the basis of a numerical solution of the full Navier–Stokes equations. Fluxes of vorticity with different signs generated with twice the frequency of cylinder oscillation move from the cylinder to the outer surface of a detached liquid layer in the form of concentric rings. Near the critical layer between the attached layer and the main flow these rings are torn and crimped to the regions of separated vortices of the corresponding sign. The form of detached separated vortices is similar to that of vortices originating from a stationary circular cylinder in a uniform flow. Transition of the flow to a non-symmetric form with Karman vortex street generation at a Reynolds number (based on the radius) greater than 17 is revealed. This critical Reynolds number is smaller than that for a stationary circular cylinder in a viscous stream (where Re=20 has been determined to be a critical value) and corresponds to the Reynolds number extrapolated from the critical value for the stationary cylinder by increasing the cylinder radius by the attached layer thickness. The vorticity flux from the cylinder surface immediately into the separation region decreases as the frequency of cylinder oscillation increases. Violation of the flow potentiality in the detached separation region is the main cause of the vorticity generation on the outer surface of the attached liquid layer. © 1997 John Wiley & Sons, Ltd.     

Fluid forces on a very low Reynolds number airfoil and their prediction

This paper presents the measurements of mean and fluctuating forces on an NACA0012 airfoil over a large range of angle (α) of attack (0-90°) and low to small chord Reynolds numbers (Re_c), 5.3 × 10³-5.1 × 10⁴, which is of both fundamental and practical importance. The forces, measured using a load cell, display good agreement with the estimate from the LDA-measured cross-flow distributions of velocities in the wake based on the momentum conservation. The dependence of the forces on both α and Re_c is determined and discussed in detail. It has been found that the stall of an airfoil, characterized by a drop in the lift force and a jump in the drag force, occurs at Re_c ? 1.05 × 10⁴ but is absent at Re_c = 5.3 × 10³. A theoretical analysis is developed to predict and explain the observed dependence of the mean lift and drag on α.     

非定常流动的快速拉格朗日涡方法数值模拟

采用快速拉格朗日涡方法数值模拟有复杂旋涡运动的非定常流动. 利用离散涡元模拟旋涡的产生、聚集和输送过程. 拉格朗日描述法用来计算离散涡元的移动,而移动速度则利用广义毕奥-萨伐尔公式结合快速多极子展开法计算,修正的涡半径扩散模型用来模拟离散涡元的黏性扩散. 突然起动圆柱和大攻角下突然起动翼型的非定常有涡流动的数值模拟,及其与试验结果的对比验证了方法的有效性. 另外,大攻角下突然起动翼型的计算结果给出了翼型起动后吸力面旋涡的产生、发展,周期性非定常流动的形成,以及尾流旋涡结构等一些重要的流动特征.[关键词] 非定常流有涡流动快速涡方法      

应用当地流活塞理论的大攻角升力面颤振气动力表达式

本文应用当地流活塞理论,给出了弹性的夺动翼面的非定常压分分布以及用模态坐标的广义气动力系数表达式。同时提供了配套的当地流参数计算公式和采用样条函数计算广义气动力系数数值积分的表达式。