飞机百年发展与空气动力学

飞机的发明是人类历史的一个重大转折点，飞机改变了人类社会的面貌。它使交通运输和商业往来方式发生了革命；它使战争模式发生了根本性变化；它是促进科技进步的动力；它是人类太空飞行的起点，航空与飞机将永远都是人类历史上最伟大的成就之一，回顾了飞机百年发展的基本情况和取得的主要成就，着重指出空气动力学对于飞机发展所起到的重要作用，并对未来飞机发展进行了展望。     

高亚声速气动探针气流速度求解方法研究

气动探针是叶轮机械风洞实验中关键测试工具,有必要开展能够提高测量精度、扩展适用范围的基础性研究。本文推导出气体压缩因子δ_ε～f (p~*,p_s,κ,λ)来修正伯努利方程,并讨论了扩展探针校准文件的适用范围问题。研究结果表明:本文所提出的气流速度算法与现行的算法相比的计算误差在1.9×10~(-5) ～2.1×10~(-5)内,具有可信性。引入气体压缩因子的修正项能够实现利用低速和跨声速流动的校准文件来求解高亚声速流动的气流速度和马赫数,其误差值均在接受范围内。但是,求解跨声速流动时的误差值超出接受范围。本文的研究能够丰富完善气动探针理论体系,为叶轮机械风洞实验提供理论指导和技术支撑。     

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.      

Experimental study on correlation between turbulence and sound in a subsonic wind tunnel

In this paper, the effects of turbulence on sound generation and velocity fluctuations due to pressure waves in a large subsonic wind tunnel are studied. A trip strip located at different positions in the contraction part or at one position in the diffuser of a large wind tunnel is used to investigate the aforementioned phenomenon, and the results indicate that the trip strip has significant effects on sound reduction. The lowest turbulence intensity and sound are obtained from a trip strip with a diameter of 0.91 mm located either at X/L = 0.79 or at X/L = 0.115 in the wide portion of the contraction. Furthermore, the effect of monopole, dipole and quadrupole sources of aerodynamic noise at different velocities is investigated, and it is demonstrated that the contribution of the monopole is dominant, while the shares due to the dipole and quadrupole remain less important. In addition, it is found that the sound waves have a modest impact on the measured longitudinal turbulence and are generated essentially by eddies.     

偏流板距离对亚声速射流冲击宽频噪声特性的影响

通过全消声室实验研究了不同冲击距离(L)下亚声速射流宽频噪声特性。利用远场传声器获得L=30D～2D (D为喷口直径)的噪声数据,并详细分析了频谱特性。试验结果表明,减小冲击距离:(1)上游所有频段的噪声都明显上升,极角α=120°总声压级(OASPL)在L <10D时增加了10～17 dB;(2)下游α=30°的噪声能量向低频转移,且频谱在L <10D时变化不明显;(3)偏流板产生噪声的中、高频段对边线影响较小, α=90°的频谱迅速衰减,在L <10D时形成陡峭的峰值。研究证实在噪声最强的方向(α=120°),随冲击距离的减小偏流板贡献的噪声功率占比呈线性增加。冲击距离小于势流核时,偏流板贡献大部分噪声能量, L=7D～5D时占比超过80%。另外射流冲击产生的噪声指向性明显,冲击噪声和后缘分离噪声在不同方向取得主导地位,相应频谱分别在上游和下游呈现高频主导和低频占优的特性。     

高亚声速湍流喷流气动噪声数值分析

为适应航空噪声管制规定要求,发动机喷流噪声控制成为目前气动声学研究中的重要课题,预测分析喷流噪声辐射并揭示其产生机理将为噪声控制奠定基础.采用高精度并行LES（large eddy simulation）方法计算分析马赫数0.9高亚声速喷流的湍流演化和气动噪声现象.首先,仔细验证喷流LES湍流场计算保真性,并分析流场中不同尺度涡结构的演化形态.其次,利用可穿透面FW-H（Ffowcs Williams and Hawkings）方法外推喷流近场声源数据获得精确声辐射远场,进而分析声场主导声模态特性.最后,通过分析声源机制、分离声模态等方法研究势流核末端大尺度拟序涡运动演化形成的低波数波包在噪声主导声模态产生中的重要作用.数值结果表明LES结合可穿透面FW-H方法可精确预测高亚声速喷流的流场及声场特征,且数值分析揭示涡环对并形成的大尺度拟序结构在喷流中心线上沿径向融合,产生了在远场低方位角占优的主导声模态,并构成强指向性声场,噪声峰值方位角约为30°.      

高亚声速运输机后体减阻措施研究

为了降低高亚声速运输机的阻力,改善飞机的气动性能,本文在某一典型运输机机身外形的基础上,研究了后体参数和涡流发生器对机身后体流场及阻力的影响。通过数值模拟计算,得出了不同外形的后体流态分布及阻力特性数据。结果表明,小的上翘角和收缩比、大的扁平度和长细比能够显著地减小压差阻力,而涡流发生器能够有效地减小摩擦阻力。该结果可为后续的型号研制提供参考。     

翼反角对高压捕获翼构型亚声速气动特性影响分析研究

高压捕获翼新型气动布局在高超声速设计状态下具有较好的气动性能, 新升力面的引入使其在亚声速条件下也具有较大的升力, 但在亚声速下的稳定特性还有待研究. 基于高压捕获翼气动布局基本原理, 在机身-三角翼组合体上添加单支撑和捕获翼, 设计了一种参数化高压捕获翼概念构型. 以捕获翼和机体三角翼上/下反角为设计变量, 采用均匀试验设计、计算流体力学数值计算方法及Kriging代理模型方法, 研究了0° ~ 10°攻角状态下不同翼反角对高压捕获翼构型亚声速气动特性的影响, 重点分析了升阻特性、纵向和横航向稳定性的变化规律以及流场涡结构等. 结果表明, 小攻角状态下翼反角对升阻比的影响比大攻角更加显著, 捕获翼上反时, 升阻比略微增大, 下反则升阻比减小; 三角翼上反时, 升阻比减小, 下反则升阻比先略微增大后缓慢减小; 翼反角对纵向稳定性的总体影响较小, 捕获翼上反会稍微提高纵向稳定性, 而三角翼上反则会降低纵向稳定性; 捕获翼或三角翼上反都会增强横向稳定性, 下反则减弱横向稳定性, 但大攻角状态时, 三角翼上反角过大对提升横向稳定性作用有限; 捕获翼上反航向稳定性增强, 下反航向稳定性则减弱, 而三角翼下反对提升航向稳定性的整体效果比上反更加显著.      

横向三维化学反应流动数值模拟

对一个三维化学反应流程序作了改进,使之适应于模拟带横向碘蒸汽注入的COIL(化学氧碘激光)喷管流动。其中,主副气流的入流边界条件的改进是基本的,重要的。这里,入流边界附近的气体流动被视为一维均熵流动,用双曲方程的特征理论,分析以流量作变量的EULER方程的特征关系,用特征方法数值求解简化的特征方程,从而确定亚声速(跨声速)流动边界点的入流密度或速度。对相关文献提供的算例的计算,佐证了程序改进的有效性。对氮气作载气的条件也作了模拟,得出了与氦气条件不同的流动特征与增益分布特征。     

不同雷诺数条件下粗糙度对高亚声速压气机叶型边界层调控机制研究

粗糙度(R_a)对压气机叶型性能的影响与雷诺数(Re)密切相关。以某一高亚声速压气机叶型为研究对象,在Re=1.2×106和Re=1.5×105条件下,采用数值模拟方法研究了不同R_a大小对边界层分离、转捩及叶型损失的调控机制。研究表明,Re=1.2×106时,较小粗糙度(R_a ≤13μm)不会对叶型性能有明显影响,当R_a超过某个临界值(R_a=26 μm),叶型性能随粗糙度增加不断恶化。当Re降低至1.5×10~5时,叶型损失随着R_a增加大幅降低,R_a=157 μm时叶型损失最大降低16.4%,之后叶型损失才有所增加。合适大小的粗糙度能够有效抑制分离泡位移效应对叶型性能的不利影响,而粗糙度过大会导致强烈湍流耗散作用恶化叶型性能。针对该高亚声速压气机叶型,提出了最佳粗糙度参数随Re变化的经验关系式。