1959年3月29日:布里格斯发表棒球旋转的研究结果

棒球投手要投出独特曲线球轨道的关键在于球的旋转,而非球速。我们之所以能了解这点要归功于一位名叫布里格斯(Lyman Briggs)的物理学家兼终身的棒球迷,他于20世纪50年代做了风洞实验,彻底地确定了答案。布里格斯做此研究是在他从长期、杰出的物理生涯退休之后,这证明对于科学的好奇心并无真正的年龄限制。     

飞机结构气动弹性分析与控制研究

随着主动控制技术的发展,飞机结构设计理念已由提高结构刚度的被动设计转变为随控布局的主动设计.主动设计理念不再刻意回避气动弹性问题,而是采用主动控制技术实时调节结构气动弹性,进而减轻结构重量、优化飞机性能. 在飞机随控布局主动设计中,必须深入分析结构与气流之间的耦合,才能更好发挥气动弹性主动控制技术的作用. 从20 世纪80 年代起,航空科技界对该问题进行了长期研究,对飞机结构-空气动力-主动控制相互耦合后的关键力学问题有了深入理解. 然而,已有研究多基于简化模型,导致研究结果难以直接应用于工程. 本文将针对气动弹性动态问题,综述空气动力非线性、控制面间隙非线性、时滞诱发失稳、颤振主动抑制、突风载荷减缓、风洞实验验证等方面的国内外研究进展,重点介绍近年来作者团队所提出的若干方法及相关算例和风洞实验. 最后,指出今后一个时期值得研究的若干气动弹性分析与控制问题.      

结构振动对大型激波风洞气动力测量的干扰

激波风洞起动过程形成冲击载荷激励测力系统的结构振动,气动力测量过程中振动尚未衰减,测力过程可以看作是一个动态的过程,激波风洞中天平输出信号包含了振动干扰的输出信号,现有的解决方法缺乏理论支撑,精度受限. 本文应用振动理论方法,得到了自由振动、强迫振动特性的基本解析结果. 自由振动特性研究中考查了单个振型对测力的干扰及其影响规律以及干扰量幅值随测力截面相对位置的变化规律. 强迫振动特性研究了不同载荷强迫振动下各阶振型对测力的干扰. 研究表明,由于干扰量幅值与加速度幅值的“零点位置” 不重合,传统加速度惯性补偿存在理论上的缺陷. 实验中确定干扰量主要来源需要综合考虑截面位置、载荷作用位置、载荷类型的影响.      

基于三路舵机驱动的扑翼飞行模型气动特性研究

扑动而形成非定常气动现象是扑翼飞行过程中产生高升力的主要原因。本文以Ellington实验的鹰蛾翅膀为原形,设计扑翼实验及数值计算模型。通过压差传感器对翅膀模型上翼面固定位置进行测压,分析前缘涡的产生及脱落情况(考虑动压效应)。测量上下翼面固定位置处的压差,揭示扑翼飞行中产生高升力的主要原因。利用烟风洞观察扑翼模型周围流场结构及特殊涡产生变化情况。另外,根据Ellington提供的升力关系式估算了扑翼模型在一个周期内的平均升力。最后,基于三维欧拉方程对扑翼飞行气动特性进行数值模拟,计算结果与实验吻合良好。     

1+1/2对转涡轮用出口超音叶栅设计与试验

本文以1 1/2对转涡轮为背景,开展出口马赫数1.5、气流角为70°高出口马赫数涡轮叶栅设计与试验研究。研究与分析表明,尾缘厚度及尾缘附近叶表速度分布是决定上述高出口马赫数叶栅性能的关键;尾缘后约一倍叶栅出口宽度范围内,损失剧烈增加,此距离之后,总压降低趋于平缓。初步试验结果说明高出口马赫数涡轮叶栅是可行的。     

Wind tunnel simulation of wind loading on a solid structure of revolution

The wind tunnel simulations of wind loading on a solid structure of revolution with one smooth and five rough surfaces were conducted using wind tunnel tests. Timemean and fluctuating pressure distributions on the surface were obtained, and the relationships between the roughness Reynolds number and pressure distributions were analyzed and discussed. The results show that increasing the surface roughness can significantly affect the pressure distribution, and the roughness Reynolds numbers play an important role in the change of flow patterns. The three flow patterns of subcritical, critical and supercritical flows can be classified based on the changing patterns of both the mean and the fluctuating pressure distributions. The present study suggests that the wind tunnel results obtained in the supercritical pattern reflect more closely those of full-scale solid structure of revolution at the designed wind speed.     

桥梁节段模型气弹振动的非线性判别方法研究

在ERA(Eigensystem Realization Algorithm)的理论框架内建立了误差因子,评估桥梁节段模型风洞实验中气动导数的辨识质量。通过子空间能量分解,分别计算辨识过程中有效识别信号成分能量和未被识别信号成分能量与总信号能量的比值,并以此构造误差因子。将相同实验环境下自由衰减振动和尾流激励随机振动两组实验的误差因子相互比对,判断桥梁节段模型的气弹振动非线性是否对气动导数辨识结果产生影响。依据误差因子判断,在本文所使用的两种节段模型中,部分流线型箱梁断面具有较强的耦合非线性;而槽形开口型断面的模型具有较低的耦合非线性。     

遗传算法在跨超声速风洞总压控制中的应用

总压作为风洞控制中的重要流场参数,其调节性能是风洞控制系统能否满足试验要求的重要指标,为提高跨超声速风洞的总压控制水平,需对总压控制策略进行设计。针对某跨超声速风洞对总压控制系统提出的快速性和精确性要求,提出串级控制、智能PID控制和总压分段控制等方法,并利用MATLAB系统辨识工具箱对流场调节阶段的总压系统模型进行了辨识。提出将遗传算法应用于风洞流场调节阶段的PID控制器参数整定中,重点对基于遗传算法的PID控制原理和参数整定步骤进行介绍,并针对遗传算法的遗传算子进行了设计。系统仿真和风洞实际运行情况表明：该方法较常规PID参数整定与优化方法,具有更好的控制性能指标,满足总压控制系统精确性、快速性、鲁棒性等要求,为后续风洞建设和设备改造提供了新方法。     

前体涡发生器对轴对称高超声速进气道激波振荡流动的影响实验

激波振荡是高超声速进气道不起动过程中常见的流动现象,会显著降低进气道气流捕获与压缩效率、产生剧烈的非定常气动力载荷而危害飞行器安全. 从激波振荡的控制出发,实验研究了前体转捩带位置的涡发生器对轴对称高超声速进气道激波振荡流动的影响. 分别在起动和激波振荡两种进气道流态下,选择无、0.5 mm与1 mm高度涡发生器工况进行对比研究. 并采用高速纹影与壁面动态测压同步记录非定常流动特征. 结果表明,1 mm高度内的涡发生器对起动状态的进气道主流流场结构、壁面压强分布影响不显著. 但对于激波振荡流动,涡发生器会明显缩小外压缩面分离区运动范围,缩短振荡周期,提升振荡周期内壁面压强的时均值. 涡发生器的影响程度随其高度的增大而增强,其中振荡周期从无涡发生器的4 ms缩短到1 mm高度涡发生器的3.13 ms. 此外,0.5 mm高度涡发生器会使得进气道内部测点的压强振荡幅值整体下降,相比无涡发生器工况的下降幅度可达23%. 流场结构与壁面压强信号的分析表明,涡流发生器主要通过其产生的流向涡影响激波振荡流动,包含流向涡对下游边界层的扰动以及流向涡与分离区的相互干扰.      

JF12激波风洞高Mach数超燃冲压发动机实验研究

针对高Mach数（Ma ≥ 7）超燃冲压发动机高气动阻力下的燃烧组织问题,提出一种双突扩燃烧室结构方案.使用数值模拟方法考察了射流与双突扩燃烧室组合方式的混合燃烧特性.设计了双突扩超燃冲压发动机模型,在力学研究所JF12长试验时间激波风洞内,开展了Ma=7.0和Ma=9.5的氢燃料点火和燃烧试验对比.在风洞有效试验时间100 ms内,实现了Ma=7.0和Ma=9.5超燃冲压发动机的成功点火与稳定燃烧.在Ma=7.0情况下,进气道采用三维压缩,燃烧室入口设计Mach数Ma_c=2.5,壁面压力分布实验结果显示燃烧放热靠近燃烧室扩张段上游;在Ma=9.5情况下,进气道采用二维压缩,燃烧室入口设计Mach数Ma_c=3.5,由于燃烧室流动速度特别高,燃烧放热靠近燃烧室扩张段下游.