细长机翼摇滚的数值模拟及物理特性分析

耦合三维非定常Navier-Stokes方程与Euler刚体运动方程数值研究80°尖前缘后掠三角翼的机翼摇滚问题. 采用高精度的WNND(weighted non-oscillatory, containing no free parameters and dissipative)格式离散流动控制方程、采用时间二阶精度单边差分离散刚体运动方程数值模拟了马赫数为0.35, 攻角为10°, 22°, 30°下三角翼受扰后的自由滚转运 动. 结果表明：22°攻角附近为所给三角翼出现横向不稳定的摇滚运动的临界攻角；当攻角小于临界值时，受扰后的机翼滚转运动收敛，而当攻角大于临界值时，受扰后的机翼滚转运动发散并形成极限环形式的机翼摇滚.     

旋转流场下模型大幅俯仰运动实验研究

在中航气动院FL-8低速风洞中,采用单自由度振荡机构进行了旋转流场下大幅俯仰运动的气动特性实验研究。模型在绕风速轴连续旋转的同时,进行给定频率和振幅绕体轴的俯仰振荡运动。测量了模型的动态气动特性,着重分析了不同运动参数对模型气动特性的影响。实验结果表明,旋转速度的存在使大振幅俯仰振荡实验中的滚转力矩和偏航力矩产生了明显的迟滞特性,但对俯仰力矩和法向力的迟滞特性影响不大。     

多种因素对三角翼俯仰/滚转运动特性影响的数值研究

耦合求解NS方程和刚体动力学方程数值模拟80°后掠三角翼强迫俯仰、自由滚转双自由度耦合运动特性,研究了转动惯量、轴承机构阻尼、翼面流态以及俯仰运动频率、振幅、平均俯仰角等因素对三角翼俯仰、滚转双自由度耦合运动特性的影响。结果表明:机翼的转动惯量和轴承的机械阻尼显著影响自由滚转的频率和振幅;在转动惯量、轴承摩擦和湍流等多种因素的共同影响下,三角翼的双自由度运动可能会形成台阶形式的振荡曲线;俯仰运动的振幅、频率以及平均俯仰角对强迫俯仰、自由滚转双自由度耦合运动特性存在不同程度的影响。     

静不稳定空空导弹导轨发射机弹分离数值模拟

将基于N-S方程求解的流动模拟与求解导弹六自由度运动方程和控制律相结合,进行静不稳定空空导弹导轨发射分离轨迹的数值模拟.结果表明,对静不稳定导弹,如果不施加控制,载机的横侧向气动干扰会使采用导轨发射的导弹在离轨后滚转姿态很快发散,俯仰和偏航姿态快速改变,施加姿态控制后,导弹离开载机的过程中姿态比较稳定,改善了发射安全性.     

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.     

基于雷达测量数据的弹箭扰动源最优估计

为精确计算舰载武器的飞行状态参数,以弹体纵向运动过程为研究对象,推导了包含误差干扰源在内的纵向扰动运动学方程,利用"系数冻结法"及拉普拉斯变换得到解析解,拟合出弹体被动段纵向运动的气动参数公式,采用三坐标雷达测量量作为系统量测方程,从而对气动参数误差干扰源进行最优估计。计算结果表明:该算法可以使俯仰操纵力矩系数导数误差的精度稳定在±0.007(°)~(-1)范围内,阻力系数误差的精度趋于±0.025之间;升力系数误差基本稳定在±0.12之间;俯仰力矩系数对攻角的导数偏差精度稳定在±0.011(°)~(-1)之间;俯仰阻尼力矩系数误差的精度收敛于±0.009(°)~(-1)之间,且算法收敛速度快,可为重构高精度的弹道参数提供支撑。     

俯仰振荡三角翼前缘涡破碎的流动显示

前缘后掠角为６５°和７０°的两个平板三角翼作俯仰振荡运动，前缘涡破碎的流动显示实验研究在南京航空航天大学１米低速风洞中进行。俯仰振荡运动的攻角范围为０°～６０°，折合频率为０．０３和０．０６。采用四氯化钛发烟技术显示前缘涡核轨迹及涡破碎位置。流动显示图形采用相位锁定照相记录。实验结果表明大幅俯仰振荡三角翼的动态涡破碎的弦向位置明显滞后于相应攻角下的静态位置，此滞后量随折合频率增加而增大。本文也根据测得的涡破碎位置随攻角变化曲线讨论了涡破碎位置的传播速度     

低雷诺数俯仰振荡翼型等离子体流动控制

针对低雷诺数翼型气动性能差的特点, 通过介质阻挡放电(dielectric barrier discharge, DBD)等离子体激励控制的方法, 提高翼型低雷诺数下的气动特性,改善其流场结构. 采用二维准直接数值模拟方法求解非定常不可压Navier-Stokes方程,对具有俯仰运动的NACA0012翼型的低雷诺数流动展开数值模拟.同时将介质阻挡放电激励对流动的作用以彻体力源项的形式加入Navier-Stokes方程,通过数值模拟探究稳态DBD等离子体激励对俯仰振荡NACA0012翼型气动特性和流场特性的影响.为了进行流动控制, 分别在上下表面的前缘和后缘处安装DBD等离子体激励器,并提出四种激励器的开环控制策略,通过对比研究了这些控制策略在不同雷诺数、不同减缩频率以及激励位置下的控制效果.通过流场结构和动态压强分析了等离子体进行流场控制的机理. 结果表明,前缘DBD控制中控制策略B(负攻角时开启上表面激励器,正攻角时开启下表面激励器)效果最好,后缘DBD控制中控制策略C(逆时针旋转时开启上表面激励器,顺时针旋转时开启下表面激励器)效果最好,前缘DBD控制效果会随着减缩频率的增大而下降, 同时会导致阻力增大.而后缘DBD控制可以减小压差阻力, 优于前缘DBD控制,对于计算的所有减缩频率(5.01~11.82)都有较好的增升减阻效果.在不同雷诺数下, DBD控制的增升效果较为稳定, 而减阻效果随着雷诺数的降低而变差,这是由流体黏性效应增强导致的.      

高超声速飞行器横侧向失稳非线性分岔分析

针对滑翔式高超声速飞行器大攻角横侧向失稳问题,采用延拓算法和分岔理论,求解并分析了以俯仰舵偏为连续参数的稳态平衡分岔图和以副翼舵偏为连续参数的横侧向机动稳态平衡分岔图,对平衡分支的稳定性和突变点进行了分析,并给出了特征根拓扑结构变化.研究表明,高超声速飞行器存在极限分岔点、Hopf分岔点以及叉型分岔点,且从叉型分岔点延伸出多个平衡分支,引起横侧向的自滚转失稳;从Hopf分岔点延伸出极限环分支,该分支对应较为复杂的极限环运动,其中还包含倍周期分岔、花环分岔、极限环极限点分岔等复杂的分岔现象;在横侧向机动飞行情况下,模型存在横向操作偏离失稳问题,且存在多个不稳定的平衡点.研究结果为实现高超声速飞行器的稳定飞行和控制器的设计提供了极其重要的动力学信息.      

尖顶弯折三角翼气动特性研究

对75°后掠三角翼在40%根弦处弯折引起的升阻特性及俯仰特性的变化进行了低速风洞实验研究,初步分析了尖顶弯折对三角翼气动特性的影响趋势. 得出尖顶弯折在低速大攻角下,可以使升力系数Cy增大、升阻比提高,并推迟失速攻角amax,从而说明顶部弯折对三角翼气动特性的改善作用是显著的.     

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.     

等速上仰翼型动态失速现象研究

翼型大迎角绕流的静态失速将造成升力突降和气动性能急剧恶化，但利用非定常运动所产生 的动态失速效应，可以大大地延缓气流分离和失速现象的发生. 采用Rogers发 展的双时间步Roe格式，求解拟压缩性修正不可压N-S方程. 数值模拟了低雷诺数 ($Re=4.8 \times 10^{4}$)条件下NACA0015翼型作等速上仰($\alpha =0^{\circ} \sim 60^{\circ}$)的动态失速过程，同Walker的试验结果比 较，验证了计算结果的正确性. 研究了该过程中主涡、二次涡和三次涡的发展，升 力系数随攻角变化，以及不同上仰速度对动态失速效应所造成的影响.     

NUMERICAL SIMULATION STUDY ON DYNAMIC RESPONSE UNDER RUDDER CONTROL

针对超声速机动飞行器舵面操纵动态响应问题,开展了相应的算法研究,建立了适用于模拟舵面与弹体相对运动及弹体气动力动态响应的非定常计算方法和局部动态网格变形技术. 以方形弹超声速绕流为例,验证了所提出的定常和非定常计算方法. 对方形弹舵面操纵的3种基本过程(脉冲、阶跃和谐波) 进行了数值模拟,获得了舵面操纵下导弹的俯仰运动对操纵的响应过程. 研究结果表明,快速的舵面操纵过程,甚至会导致导弹的俯仰运动失稳.     

80°/65°双三角翼摇滚特性风洞实验研究

介绍了在FL-23高速风洞中研究自由摇滚的装置、试验方法、数据采集等试验技术.在马赫数从0.3到0.6范围内,对应的雷诺数从0.56×107/m至1.126×107/m范围内,开展了双三角翼大迎角下的摇滚特性的研究,包括迎角、马赫数、初始释放等参数的影响,给出了典型的结果.结果表明,随着模型迎角的增加,双三角翼呈现不同的滚转运动形态,包括静态稳定、准极限环摇滚、双周期震荡等;试验中马赫数提高对翼摇滚起抑制作用;摇滚运动的最终平衡状态和摇滚幅值与初始状态无关.     

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。     

风力机叶片翼型动态试验技术研究

风力机叶片动态振荡过程往往伴随着俯仰和横摆同时进行, 以前对许多动态问题不清楚的阶段, 工程上不惜以增加叶片重量为代价而采用偏安全的设计, 通常忽略横摆振荡的影响; 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了更高要求, 研究横摆振荡对翼型动态气动特性的影响规律具有重要意义. 本文首次开展翼型横摆振荡动态风洞试验研究, 采用“电子凸轮”技术代替机械凸轮实现了振荡频率和振荡角度的无级变化, 基于设计的电子外触发装置实现了对动态流场的实时测量, 实现了风洞来流、模型角位移和动态压力数据的同步采集, 分别开展了翼型静态测压、俯仰/横摆动态测压、粒子图像测速和荧光丝线等试验研究, 试验结果准度较高、规律合理; 分析了动态试验洞壁干扰影响机制. 研究表明, 横摆振荡翼型的气动曲线也存在明显迟滞效应; 随着振荡频率升高, 翼型俯仰和横摆振荡下的气动迟滞性均增强; 翼型俯仰振荡正行程的动态失速涡破裂有所延迟; 洞壁与模型端部交界处的强三维效应对翼型压力分布影响较大; 建立的横摆振荡试验技术可为风力机动态掠效应的研究提供技术支撑.      

Energy harvesting of a heaving and forward pitching wing with a passively actuated trailing edge

This study experimentally investigates the energy harvesting capabilities of an oscillating wing with a passively actuated trailing edge. The oscillation kinematics are composed of a combined heaving and forward pitching motions, where the pitching axis is well behind the wing center of mass. Passive actuation is attained by connecting the trailing edge with the wing body using a torsion rod. The degree of flexibility of the trailing edge is represented by the Strouhal number based on the trailing edge natural frequency. The trailing edge passive response is studied for oscillation Strouhal numbers of 0.017, 0.025 and 0.033. Instantaneous aerodynamic forces are measured in a closed loop wind tunnel at a Reynolds number of 40 000, based on the free stream velocity and the wing chord length. Measured results include the effective angle of attack induced by the trailing edge actuation as well as the lift and moment during the oscillation cycle. For the imposed kinematics in this study, the pitching motion has a positive contribution to the mean power output whereas the heaving motion has a relatively small but negative contribution. Additionally, by decreasing the natural frequency of the trailing edge closer to that of the imposed oscillation frequency, the magnitude of the lift and moment forces and hence the mean power output, increases. It is found that there exists a strong correlation between mean power output and the effective angle of attack, shown through the passive trailing edge response, resulting in an increase in energy harvesting potential.     

Rotary aerodynamic derivatives in the asymptotic theory of a high-aspect-ratio wing

The linear problem of inviscid incompressible flow around a high-aspect-ratio wing at an angle of attack and in the presence of steady pitching and rolling rotation is considered. The main integral equation of the problem is reduced to a sequence of one-dimensional integral equations without use of the matched asymptotic expansions method. The first few terms of the series for the circulation distribution over the wing surface are calculated. For an elliptic high-aspect-ratio wing the corresponding aerodynamic forces are calculated. The derivatives of the aerodynamic coefficients of the wing with respect to the angle of attack and the angular velocities are determined. The asymptotic expressions obtained are compared with the results of numerical calculations of the corresponding derivatives using the discrete vortex method.     

俯仰运动圆柱贮箱中液体的非线性晃动

首次对储仰运动圆柱贮箱中液体的有限幅值晃动问题进行了解析研究。首先建立了描述俯仰和／或偏航运动贮箱中液体晃动的非线性偏微分方程组,而后提出了相应的变分原理,建立了压力体积分形式的Ｌａｇｒａｎｇｅ函数,通过变分方程,最终得到措述俯仰和／或偏航运动圆柱贮箱中液体晃动的非线性动力学微分方程组,该动力学方程组自然满足液体自由表面的运动学和动力学办界条件。而后动用多尺度法求解了所得的动力学方程组,对非线性液