进入轨道偏差对火星科学实验室气动力特性的影响

针对火星科学实验室(MSL)高超声速进入过程,利用三维并行程序求解流体力学Navier-Stokes方程,耦合真实气体模型,分析火星大气中真实气体效应对进入器气动力特性的影响量在进入轨道发生偏差时的变化规律.结果表明:对海盗号的计算结果与飞行数据符合很好,验证了火星大气真实气体模型和计算方法;真实气体效应影响下,激波层厚度大为减小,温度下降明显,进入器阻力系数明显增加,升力系数变化不大,俯仰力矩系数增加,基准状态下配平攻角较完全气体减小约2.2°;高度不变,Ma数增加导致阻力系数和俯仰力矩系数增大,配平攻角和完全气体的差值由1.6°增加到2.6°,表明Ma数变大时真实气体效应引起的气动力变化增强;Ma数不变,高度增加略微减弱波后化学反应,对进入器气动力特性基本没有影响.     

基于变分有限元方法的S809翼型的改进设计

翼氆的升力和阻力特性直接影响到叶轮机或机翼的性能,传统风力机翼型的外形是基于经验和半经验的方法得到,本文采用变域变分有限元方法,以NREL S809翼型为原形,通过改进其叶片表面的目标压力分布,进行该翼型的改进设计,并对新设计出的翼型在0°～20°攻角范围内进行CFD数值模拟,得到的结果与原始S809翼型在升阻力系数,...     

基于N-S方程的支撑机翼高亚声速气动外型设计

相对常规悬臂梁布局飞机，支撑机翼飞机允许有更大的展弦比、更薄的机翼及较小的后掠角，从而可以减小诱导阻力、波阻，并增加层流范围，是未来飞机的一个可供选择方案.文章基于N-S方程对高亚声速支撑机翼构型进行了气动外型设计，在巡航Mach数为0.7，设计升力系数为0.6的条件下，支撑机翼构型相对无支撑构型升阻比仅减小6.3%，而初始无支撑翼身组合体构型相较常规悬臂梁翼身组合体构型最大升阻比提高了约35%，设计结果表明支撑机翼构型是可明显提高飞行性能的未来高亚声速飞机的一种新型外型.文章也对支撑外型、位置参数及机翼内翼下翼面外型修型对支撑机翼构型的干扰影响进行了研究，研究结果表明:支撑上翼面外型、支撑弦长、相对厚度、展向位置、扭转角分布及机翼下翼面外型对支撑机翼构型气动影响较大.      

先进双发民用飞机跨音速绕流数值模拟

采用求解椭圆型和抛物型偏微分方程的方法及多块风格技术，生成机翼／机身／短舱／挂架复杂组合体外形的贴体及与边界正交的计算网格。应用有限体积法高效求解欧拉方程，模拟先进双发民用飞机的跨音速绕流，并计入机翼边界的粘性效应，获得存在短舱、挂架干扰的翼身组合体气动特性，计算表明，短舱，挂架对超临界机翼的气动特性有显著的影响，计算与实验模型的机翼表面压力分布（测量值）符合良好。     

计入分离涡时飞机机翼振动的极限环现象

通过同时求解机翼弹性运动方程和空气动力方程，对机翼的流固耦合问题进行了数值仿真，在空气动力计算中仔细地模拟了机翼在较大迎角时从机翼前缘和侧缘处卷起的分离涡。通过不同机翼、不同状态的仿真结果，发现如下结论：（１）机翼前缘或侧缘分离涡将使机翼颤振界速度降低，且机翼的基本迎角越大，颤振临界速度越低；（２）机翼前缘后掠角减小，分离涡对颤振性质的不利影响有所减缓；（３）在一定条件下，会出现稳定的极限环。     

基于自由涡的风轮失谐气动特性研究EI北大核心CSCD

采用一种改进的自由涡方法研究了风切变条件下,叶片安装角存在偏差的失谐风轮的气动特性。计算方法由模拟叶片气动力的非线性升力线法和模拟尾迹涡运动的时间精确自由尾迹法构成。以某2.5 MW风力机为例,计算了功率曲线和叶片气动力分布,并与Bladed软件和CFD计算结果进行了比较。研究了切变风条件下,不同叶片安装角偏差量,风轮推力、扭矩、偏航力矩和俯仰力矩的变化。结果表明,所采用的计算方法是准确有效的。风轮叶片安装角偏差,对风轮推力和扭矩影响较小,对风轮偏航和俯仰力矩影响较大。不同叶片安装角偏差量相反,会显著增加风轮偏航和俯仰力矩波动。     

基于自由涡的风轮失谐气动特性研究

采用一种改进的自由涡方法研究了风切变条件下,叶片安装角存在偏差的失谐风轮的气动特性。计算方法由模拟叶片气动力的非线性升力线法和模拟尾迹涡运动的时间精确自由尾迹法构成。以某2.5 MW风力机为例,计算了功率曲线和叶片气动力分布,并与Bladed软件和CFD计算结果进行了比较。研究了切变风条件下,不同叶片安装角偏差量,风轮推力、扭矩、偏航力矩和俯仰力矩的变化。结果表明,所采用的计算方法是准确有效的。风轮叶片安装角偏差,对风轮推力和扭矩影响较小,对风轮偏航和俯仰力矩影响较大。不同叶片安装角偏差量相反,会显著增加风轮偏航和俯仰力矩波动。     

不确定性条件下大型客机纵向静稳定性数值研究

飞机的几何不确定性和飞行中的来流不确定性常会引起飞机焦点位置的改变，进而影响飞机的静稳定性。采用CFD数值模拟方法对CHNT客机标模开展气动特性与静稳定性研究，基于非嵌入式概率配置点法，分析在机翼安装角和来流马赫数为不确定性参数情况下的飞机纵向静稳定性。计算结果表明，机翼安装角的正偏差将引起C_M曲线临界位置攻角的前移，翼根处分离流动增大，飞机焦点位置前移，纵向静稳定性减弱，俯仰力矩系数曲线导数C^α_M的PDF、CDF曲线形状类似Beta分布；来流马赫数的不确定性对焦点位置的影响显著，马赫数的正偏差可使飞机焦点位置后移，增强纵向静稳定性，C^α_M的PDF、CDF曲线形状也类似Beta分布。     

湍流模型在复杂流场数值模拟中的应用

采用4种湍流模型:代数Baldwin Lomax(B-L)模型、半方程Johnson King(J-K)模型的两个版本(J-K90A和J K92)以及两方程k-g模型,分别数值模拟了导弹超音速流动、NASATND-712标模和民机翼身组合体(两区C-O网格)跨音速流动.采用中心有限体积和多步Runge-Kutta方法数值积分三维可压缩雷诺平均Navier-Stokes(N-S)方程组.k-g湍流模型方程的求解采用类似于N-S方程组的方法进行.所有湍流模型均能很好地模拟附体及小分离流动;对于大攻角、分离剧烈的导弹流动,k-g和J-K92模型与实验吻合更好;B-L模型在模拟民机跨音速流动时,它所捕捉的激波位置较其余3种模型靠后.利用多块网格模拟民机翼身组合体流场时,k-g模型的模拟能力强于其余3种模型.     

高速气体与椭圆柱云相互作用的数值研究

高速颗粒流在天文、自然灾害、工业安全、医疗工业和国防等领域有着重要应用。采用基于分层流模型的直接数值模拟方法,对平面激波与椭圆柱云的相互作用进行数值研究,重点关注椭圆柱横截面的不同长短轴之比和椭圆柱横截面长轴与来流方向所成角度对流场的影响,从气体来流方向上的速度、x轴和y轴方向上的均方根速度、动能、内能和湍动能的分布上进行分析,对能量在计算域的上游区域、椭圆柱云区域和下游区域进行定量分析。同时针对椭圆柱改进了一维体积平均模型,利用该模型拟合了由直接数值模拟得到的反射激波和透射激波位置,获得了最适配的一维体积平均模型中的人工有效阻力系数,并探讨此系数的分布规律。     

DLR-F6翼身组合体阻力计算

采用"亚跨超CFD软件平台"(TRIP2.0)数值模拟DLR-F6翼身组合体构型,采用的多块对接网格、测压和测力的试验结果均来自美国AIAA阻力计算小组,对比计算结果采用CFL3D的结果.详细研究网格密度、湍流模型对DLR-F6翼身组合体构型的总体气动特性和压力分布的影响,计算结果与相应的试验结果较一致.采用SST两方程模型得到网格收敛结果;不同的湍流模型对压差阻力影响较小,对摩擦阻力影响较大;不同的网格密度和湍流模型对压力分布影响较小.     

升力系数不变时跨音速机翼阻力优化设计

基于共轭方程的优化设计理论,应用三维欧拉方程进行了升力系数不变时跨音速机翼阻力优化设计研究,根据给定的目标函数推导了在物理空间上表述的共轭方程及边界条件,研究了共轭方程的数值求解方法及目标函数对设计变量的敏感性导数求解问题,发展了一种跨音速机翼阻力优化设计方法,应用该设计方法进行了跨音速机翼阻力优化设计研究,优化后机翼表面的激波强度减弱很多,有效减少了波阻.     

双三角翼非定常俯仰运动实验与数值模拟

文章针对双三角翼大振幅正弦俯仰运动过程中的非定常载荷和流动特性开展了实验与数值模拟研究,并与相同主翼后掠角的单三角翼进行了对比.实验研究在低速回流式水槽中开展,所采用的实验模型为边条后掠角为75°,主翼后掠角为50°的双三角翼全模,俯仰运动的旋转轴位于主翼弦长的2/3处,振幅为0~60°,运动的缩减频率k=0.03,0.06,0.12,0.24,0.48.实验Reynolds数以主翼弦长为参考Re=1.69×104.在水槽的测力实验中,发现非定常流动力的迟滞现象,并且随着非定常运动缩减频率的增大,流动的迟滞效应也随之增大.与相同主翼后掠角的单三角翼相比,双三角翼的迟滞环在低缩减频率下更小,但随着缩减频率的增大,这种差距逐渐减小.在数值模拟研究中,采用DDES湍流模型对俯仰双三角翼的流场进行了数值模拟.流场结果表明,在较低的缩减频率下,主翼吸力面的前缘涡是影响气动力的主要因素,非定常流动力的迟滞效应主要与前缘涡在上仰过程中的延迟破裂和下俯过程中的延迟恢复有关;在较高的缩减频率下,机翼前缘涡对气动力的影响减小,由机翼俯仰角速度而产生的环量力成为了气动力的主导因素,因此在较高缩减频率下,单三角翼与双三角翼的升力特性趋于一致.      

Optical-velocimetry, wake measurements of lift and induced drag on a wing

Particle Tracking Velocimetry was used, in a low-speed wind-tunnel study, to obtain simultaneous cross-flow velocity measurements in three planar regions downstream of an airfoil having a NACA 0015 profile. In order to measure both the total lift and induced drag, and their distributions on the airfoil, a wake integration technique based on the control volume approach was used. The airfoil model was tested in clean wing configuration and with a 3.33% Gurney flap attached to the trailing edge. The Gurney flap was found to increase the complexity of the wake and cause a systematic increase in lift and induced drag values. The changes in total lift and induced drag resulting from the fitting of a Gurney flap compared very favourably to investigations using traditional aerodynamic techniques demonstrating the validity of the method.     

Effect of cavity location on combustion flow field of integrated hypersonic vehicle in near space

Abstract  

The cavity has been widely employed as the flame holder to prolong the residence time of fuel in supersonic flows since it improves the combustion efficiency in the scramjet combustor, and also imposes additional drag on the engine. In this paper, the two-dimensional coupled implicit Reynolds Average Navier–Stokes equations, the RNG k–ε turbulence model and the finite-rate/eddy-dissipation reaction model have been employed to numerically simulate the combustion flow field of an integrated hypersonic vehicle. The effect of cavity location on the combustion flow field of the vehicle has been investigated, and the fuel, namely hydrogen, was injected upstream of the cavity on the walls of the first stage combustor. The obtained results show that the viscous lift force, drag force and pitching moment of the vehicle are nearly unchanged by varying the cavity location over the location range and designs considered in this article, namely the configurations with single cavity, double cavities in tandem and double cavities in parallel. The variation of the fuel injection strategy affects the separation of the boundary layer, and the viscous effect on the drag force of the vehicle is remarkable, but the viscous effects on the lift force and the pitching moment are both small and they can be neglected in the design process of hypersonic vehicles. In addition to varying the location of the cavities, three fuel injection configurations were considered. It was found that one particular case can restrict the inlet unstart for the scramjet engine.     

火星进入器小攻角飞行的静不稳定性

针对火星探路者号进入段飞行过程,求解三维流体力学Navier-Stokes方程,采用高温真实气体模型和等效比热比完全气体模型,对气动力特性进行预测和分析,对发现的小攻角静不稳定现象开展机理分析.比较海盗号数值计算结果、文献数据和飞行试验数据,结果符合很好,验证了物理化学模型及数值方法;探路者号的升阻特性和配平特性预测数据表明,真实气体模型和LAURA数据符合很好,等效比热比模型可以较准确地计算升力和阻力系数;2°攻角飞行时,进入器沿轨道出现静不稳定,完全气体模型无法模拟,分析认为迎风区声速线在肩部的移动和背风区亚声速区的分布变化以及亚声速区泡的出现,导致激波层压力下降和肩部膨胀区的压力下降向上游的传递过程发生变化,造成表面压力分布改变,最终诱发静不稳定.     

二维地效翼及地效流动特性数值研究

用数值模拟的方法,对二维NACA0012翼型在地面效应下的空气动力特性和地效流动特性进行研究,得到地效翼的升力、阻力和翼型表面压力分布随攻角及相对飞行高度的变化情况.通过对计算结果的分析,可以看出,在一定的攻角,靠近地面飞行,机翼的升力得到提高;随着飞行高度的降低,地面效应增强,机翼的失速攻角减小;地面附近的粘性流动对机翼的空气动力特性影响很小;当相对飞行高度小于0.1时,应该考虑空气的可压缩性.