基于运动嵌套网格的前飞旋翼桨叶气动干扰数值模拟

采用运动嵌套网格和求解Navier-Stokes方程的方法,数值模拟了前飞状态的旋翼流场,结果同试验数据吻合得很好;在此基础上,分别对单双桨叶旋翼在两种桨距情况下的前飞流场,进行了对比计算,模拟了各种因素对旋翼桨叶间气动干扰作用的影响,并对其机理进行了探讨,得到一些与工程实际吻合的现象和结论.     

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。     

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.     

圆角化对方柱气动性能影响的流场机理

方形截面柱体的圆角化处理是常用的流动控制方法,但其流场作用机理尚未被澄清.采用大涡模拟方法,在雷诺数为2.2$\times$10$^{4}$时,考虑风攻角的影响,对均匀流作用下的标准方柱和圆角方柱的气动性能和流场特性进行了研究,定量分析了圆角化气动措施和风攻角变化对分离泡特性的影响规律,从流场角度澄清了圆角化气动措施对方柱气动性能的影响机理.研究表明:与标准方柱相比,圆角方柱的表面风压、气动力和涡脱强度呈整体下降的趋势,但圆角方柱的斯特劳哈尔数更高;圆角方柱的"分离泡流态'发生在更小的风攻角范围内,分离泡的出现会进一步造成方柱的尾流变窄,涡脱强度减弱;随着风攻角的增大,分离泡的长度会逐渐减小直至消失,分离泡的中心会逐渐向方柱前角(迎风向)和方柱壁面移动;与标准方柱相比,圆角方柱的气流发生初次分离的位置向下游移动,分离后的剪切层更贴近方柱,因而更易发生再附现象;方柱尾流宽度的减小和涡脱强度的减弱是导致圆角方柱气动力减小和斯特劳哈尔数增大的主要原因.      

基于雨燕翅膀的仿生三角翼气动特性计算研究

针对低雷诺数微型飞行器的气动布局,设计出类似雨燕翅膀的一组具有不同前缘钝度的中等后掠(Λ=50?)仿生三角翼.为了定量对比研究三角翼后缘收缩产生的气动效应,设计了一组具有同等后掠的普通三角翼.为了深入研究仿生三角翼布局的前缘涡演化特性以及总体气动特性,采用数值模拟方法详细地探索了低雷诺数(Re=1.58×104)流动条...     

半潜式海上浮式风机气动阻尼特性研究

由于海上漂浮式风机具有较大的支撑平台运动,气动阻尼效应对海上漂浮式风机的运动响应带来了重要的影响, 日渐受到相关国内外学者的关注. 为了研究海上浮式风机的气动阻尼特性,本文推导了海上浮式风机气动阻尼力的数学模型,并借助模型实验和数值计算的方法,研究了半潜式海上浮式风机的气动阻尼特性及其作用规律. 结果表明,浮式风机的风轮旋转时的气动阻尼比风轮非旋转状态时更加明显;在作业工况下,气动阻尼对半潜式浮式风机平台的纵荡、纵摇、机舱的运动有明显的抑制作用,且主要体现为对半潜式浮式风机的平台运动固有频率响应的抑制作用,对波频范围的平台运动作用甚微. 其变化规律与风速大小、波浪载荷等有关,在风机的额定工况之前,气动阻尼通常与风速呈正相关关系,但是增长率有逐渐减小的趋势;在控制系统作用下,当入流风速接近或超过风机额定风速时,容易出现气动负阻尼现象,反而进一步强化浮式风机的运动响应,此时通过降低变桨距控制器的比例系数,即降低变桨距控制器的灵敏度,有助于增加海上浮式风机的气动阻尼效果,并且在一定程度上减缓负的气动阻尼的发生,改善海上浮式风机的运动响应.      

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.      

高空高速飞行器气动特性研究

高空高速飞行中的黏性干扰效应、真实气体效应和稀薄气体效应成为决定未来空天飞行器能否实现安全飞行、精确控制和制导的重大基础科学问题, 必须发展相应的基础理论和研究方法.该文从计算方法、流动拓扑分析以及典型飞行器应用等方面介绍了作者所在研究团队近年来部分工作进展.      

快速成型弹性风洞模型高速气动特性研究

利用光固化快速成型技术加工了内部金属骨架、外部光敏树脂外形的弹性轻质AGARD-B模型.采用气动与结构并发分析方法对其跨声速气动特性进行了初步研究,完成了风洞验证实验.研究结果表明:在马赫数0.6和1.2、较小攻角(α≤4°)的条件下,弹性轻质模型气动力特性与金属模型基本吻合;较大攻角(α>4°)条件下,因弹性轻质模型刚度比全金属模型小,试验过程中受气动载荷作用,特别是升力的影响,结构机翼变形较大,导致气动力特性与全金属模型差异较大,故气动力系数需要进行弹性变形修正.初步实验结果指出:在跨声速范围内,弹性轻质模型可直接用于气动布局选型设计与研究、基本状态等研究;但同时弹性轻质模型刚度不足,易变形.     

柴油机废气涡轮增压器压气机的气动噪声源特性研究

基于雷诺时均方程(RANS)及双方程湍流模型,建立了船用大功率增压器压气机的内部流场计算模型;计算了压气机叶轮流道内的流速分布和湍流流场,得到叶片顶部出口附近的流速分布在1.02马赫和1.1马赫之间;采用基于声比拟的数值积分方法(FW-H方程),得到了压气机叶轮的气动噪声源,并比较了主叶片和分流叶片顶部出口位置的气动噪声频谱特征,发现两者的噪声级及叶频分布存在差异。计算表明:压气机在轴频及其谐波频率处的噪声远小于叶频噪声,主流叶片及分流叶片紊流的噪声成因不同;压气机内部流噪声源的大小主要取决于气流速度;压气机转速由8000r/min增加至16000r/min、由16000r/min增加至22000r/min,流噪声的幅值约增加12dB。     

自由涡尾迹方法中涡核尺寸对风力机气动计算的影响

涡核模型中的涡核尺寸对自由涡尾迹(free vortex wake,FVW)方法准确预估风力机气动特性至关重要,涡核尺寸包括初始涡核半径和由于耗散效应涡核半径在尾迹中的增长.FVW方法中涡线控制方程离散采用三步三阶预估校正格式,涡核模型采用经典Lamb-Oseen模型,并考虑了涡耗散效应和拉伸效应.首先,通过气动载荷和叶尖涡涡量平均值的分析得到初始涡核半径的取值范围;然后,根据叶尖涡耗散特性的分析,确定体现涡黏性耗散效应涡核半径增长的经验常数的取值;最后,分析了涡核尺寸对叶尖涡结构的影响,进一步验证初始涡核半径和涡黏性耗散经验常数的取值对风力机气动计算的影响.结果表明:当初始涡核半径大于50%弦长时,FVW方法收敛稳定且能准确预估风轮气动载荷;综合风轮气动载荷和叶尖涡耗散特性,初始涡核半径取60%到70%弦长为宜,且对应的涡黏性耗散经验常数取值也不同;风轮气动载荷和叶尖涡结构的准确预估主要受初始涡核半径影响,经验常数对其影响不大,而经验常数主要影响风轮下游尾流场叶尖涡的耗散特性.      

大迎角细长体绕流背涡结构与气动特性分析

结合实验成果，对大迎角细长体绕流结构及其气动特征进行了分析。利用势流理论，探讨了大迎角下非对称侧向力沿物体轴线的变化特征与分离背涡结构之间的关系，得出截面侧向力系数沿轴向呈现正弦型曲线的变化特征是由轴向旋涡不断脱落所形成的多涡系统诱导的结果。对于三涡以上的多涡系统中，对称的物面压强分布并非一定对应对称的涡结构。     

用扰动涡方法模拟叶轮机内动静叶的相互作用

发展了一种研究叶轮机内动、静叶间的相互作用的新方法———扰动涡方法，它利用全三维的定常解为基础解，并由此给出非定常扰动场的初始解．为计算叶片对扰动场的响应过程，采用拉格朗日方法追踪扰动涡团的对流流动过程，用确定性涡方法来描述流体的粘性扩散过程．发展了代数湍流模型（Ｂａｌｄｗｉｎ Ｌｏｍａｘ湍流模型）在尾迹中的应用方法，克服了其它数值方法中无法准确捕捉尾迹中心线的运动轨迹，以及计算出的边界层外的湍流涡粘性系数偏大的缺陷．利用该方法计算轴流叶轮机内由于动、静叶间的相互作用而引起的非定常流动过程，与实验的对照表明，模拟结果与实验数据吻合得相当好，从而说明本文发展的方法是可信的，为更直观地描述尾迹等非定常因素的流动及叶轮机内的掺混问题提供依据．     

旋翼尾流与地面干扰时地面涡现象的研究

用Ｎ－Ｓ方程对近地飞行时旋翼尾流与地面干扰时产生的地面涡现象进行了数值计算旋翼对流场的作用由分布在特定区域内的动量源项模拟结果表明，旋翼尾流撞到地面后的卷起和轴向流动的拉伸作用是形成地面涡的原因；地面边界层形成的二次分离涡向地面涡内输入（与尾流所携带的涡量）相反的涡量，而使地面涡保持平衡；地面涡的存在和运动使旋翼附近流场大大改变     

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。      

PIV EXPERIMENTS ON FLOWFIELD CHARACTERISTICS OF ROTOR AIRFOIL DYNAMIC STALL AND MODIFICATIONS OF L-B MODEL

为测量翼型动态失速的非定常涡流场特性,采用3D-PIV 技术,对典型直升机旋翼翼型SC1095 的动态失速流场特性进行测量,发现涡在不同位置处的输运速度不同：位于翼型表面的涡的无量纲速度为0.39,位于尾迹区的涡的无量纲速度为0.55. 利用前缘涡输运速度变化这一特征,改进了经典的翼型动态失速利什曼-贝多斯（Leishman-Beddoes,L-B）模型,将该模型中固定的涡时间常数修正为可以随涡位置变化的时变函数,修正后的模型计算得到翼型法向力峰值相对原L-B 模型提升5%,力矩系数负峰值相对原L-B 模型提升13%,与试验值相比更加吻合,表明修正后的翼型动态失速模型更好地体现了翼型前缘涡的物理特征.     

圆柱尾迹涡的三维演化及结构特征

应用无粘涡丝运动学理论和局部诱导近似(LIA)方法,以Lagrange观点跟踪涡丝在背景流场中运动,用数值方法研究了中等Re数(≈10~3)下圆柱分离尾迹中Kármán涡和涡辫区涡丝的三维演化的机制和动力学过程,及其结构特征。背景流场考虑为尾迹时间平均速度流场和Kármán涡街流场。初始展向小扰动为指数形式和谐波形式。结果指出:Kármán涡和涡辫区中的涡丝具有展向不稳定性,形成流向涡量。在尾迹的初期输运过程中,表现出有序的大、小尺度涡结构。并进一步分析了其产生的机理。