高亚声速射流的流声分离及束缚波特性分析

高亚声速射流噪声是民航客机推进系统噪声的重要来源,其噪声组分包含了宽频湍流混合噪声和近来发现的近场离散频率束缚波.束缚波受到近场动力学脉动干扰,导致难以清晰识别其空间结构和传播特性.准确分离射流近场中的束缚波是揭示其物理特性的关键.文章发展了模态分解与物理属性耦合的HD-SPOD流声分离方法,可识别并分离脉动速度场的动力学模态和可压缩模态,其中可压缩模态可用于表征声模态并反映声模态的主要特征,为揭示流动近场流声特性提供了分析工具.应用该方法分析了射流马赫数为0.9的高亚声速射流的脉动速度场,获得了对应于束缚波频率的主导SPOD模态的动力学模态和声模态,并研究两种模态的空间结构特征和传播特性.研究发现:亚声速射流势核内不仅存在声模态束缚波,也存在动力学模态“束缚波”,其中声模态束缚波存在多阶径向结构,动力学模态“束缚波”沿径向则只存在单阶结构;声模态束缚波主要存在于势核前端,在势核内向上游传播;动力学模态“束缚波”则分布于整个势核内并向下游输运.

“Λ”型凸台对低隔道亚声速S弯进气道的流场控制研究

针对某无人机进气系统低隔道亚声速S弯进气道出口流场畸变较大的问题,研究一种利用隔道内置“Λ”型凸台生成反向涡抑制出口畸变的流场控制手段。通过数值仿真分析“Λ”型凸台结构对抑制流场畸变的作用机制,给出不同来流条件下凸台结构参数对进气道出口总压恢复系数和流场畸变的影响规律。研究表明:畸变控制效果与凸台几何尺寸密切相关,合理设计的凸台对出口畸变抑制效果明显。

亚声速飞行器尾部红外辐射综合抑制技术

为了降低亚声速飞行器尾部红外辐射强度,针对飞行器面临的战场红外威胁环境及红外辐射特点,开展了飞行器尾部红外辐射特性分析。以飞行器尾部红外辐射特性分析结果为基础,通过采用低辐射喷管、中心锥气膜冷却和尾舱红外隐身遮挡罩等综合红外辐射抑制措施,制定了飞行器尾部红外辐射综合抑制方案,研制了飞行器尾部红外隐身原理样件,并针对原理样件开展了地面红外辐射强度测量试验,针对飞行器主要威胁波段3~5μm波段,测量了多个角度下的红外辐射强度。地面红外辐射特性测量结果表明:飞行器尾部采用红外辐射抑制措施后,在3~5μm波段,在水平面内飞行器尾部的红外辐射强度均值降低了47.6%;在铅垂面内飞行器尾部的红外辐射强度均值降低了54%,具有良好的红外辐射抑制效果。

亚声速外流场关键仿真参数与数值精度的相关性分析

基于风洞试验数据计算了压力系数、阻力系数和升力系数的误差率,详细分析了上述参数与数值精度的相关性.数值结果表明,不合适的后缘翼型形状会带来最大的数值精度下降幅值,达到28.20%,应优先采用尖后缘翼型.尖后缘翼型建模方法的选择则取决于所采用的建模数据点数量. Airfoil tools提供的建模数据点数量与数值精度之间存在负相关的关系,但是NACA4提供的建模数据点不存在类似的关系,并且前者提供的数据点的数值性能优于后者,可带来8.80%的精度提升幅值.对远场距离和湍流模型,在亚声速外流场的建议取值分别是20 L和SST k-omega.

基于近似技术的高亚声速运输机机翼气动/结构优化设计

探索基于近似技术的高亚声速运输机机翼气动/结构多学科设计优化方法,建立了基于近似技术的多学科设计优化框架。气动学科采用全速势方程加黏性修正进行翼身组合体跨声速流动的气动计算,结构学科采用有限元分析方法进行应力与变形计算。采用均匀设计法给出若干样本点,分别采用二次响应面、Kriging模型和径向基神经网络等多种近似技术,构造气动学科和结构学科的近似分析模型,并对几种近似模型精度进行了分析和比较。研究发现,Kriging模型和二次响应面具有几乎等同的较高的近似精度,神经网络的近似精度则较差,由于二次响应面计算量更小,故最终选定为机翼设计优化的近似方法。以升阻比和结构重量为目标,考虑升力、机翼面积以及应力和应变约束条件,对运输机机翼4个外形参数和4个结构参数进行多目标、多约束优化设计。优化后的机翼具有较好的气动/结构综合性能,表明本文方法是可行的。

高亚声速空腔绕流气动噪声特性研究

通过分析空腔底面中心线上声压级分布与不同测点声压频谱特性,着重研究了高亚声速空腔绕流的气动噪声特性。空腔模型长深比分别为6、10和15,自由来流马赫数为0.8,基于每米的雷诺数为1.55×107,测量的空腔前缘的边界层厚度为0.034m。结果表明:空腔后缘处于噪声产生区,声压级较高;闭式和过渡式空腔因深度较小,来流剪切层触及了空腔底面,干扰了从腔后壁向腔前壁的噪声反馈回路,限制了腔内流动自激振荡的形成;开式空腔深度较大,剪切层直接跨过空腔中部、撞击腔后壁,并产生强烈噪声,噪声从腔后壁通过空腔向前壁的反馈回路未受到干扰,故腔内流动出现自激振荡和多个声压峰值频率。

水下亚声速细长锥型射弹超空泡形态的计算方法

采用理想可压缩流体无旋定常流动以及超空泡尾部Riabushinsky闭合方式假定,基于细长体理论和匹配渐近展开法,建立了描述水下亚声速条件下细长锥型射弹超空泡流动的积分微分方程。求解得到了考虑压缩性影响的超空泡形态1阶和2阶近似解,改进了超空泡形态的计算精度。分析了射弹高速冲击条件下流体压缩性对超空泡形态的影响,随着马赫数的增加,超空泡形态将发生更加显著的膨胀变化。计算得到的超空泡特征参数与相关文献的理论和实验结果吻合良好。

亚声速气流中五孔探针的校准及应用

0.3m×0.2m结冰风洞是一座回流式亚声速风洞,它是3m×2m结冰风洞的1∶10缩尺引导风洞,用于结冰风洞设计、调试和运行的关键技术研究。介绍了针对该风洞点流向测量而设计的小尺寸五孔探针排架在一座专用校准设备上进行标定的实验结果,同时还给出了该引导风洞点流向测量的结果。校准及测试结果表明:校准数据处理所采用的线性离散模型满足亚声速条件下小尺寸五孔探针的校准精度要求,五孔探针对点流向的测量精度可达±0.04°;结冰引导风洞主试验段及低速试验段各个截面点流向均在±0.5°以内,满足设计要求。

亚声速等膨胀平面射流的初始流场结构

基于大涡模拟方法与5阶精度混合TCD/WENO格式,对等膨胀射流在马赫数为Ma=0.6条件下的初始流场结构进行了数值模拟。数值结果描述了射流等膨胀过程中,射流初始流场的形成、变化及发展过程。并发现了射流初始流场中涡核为射流失稳的起始点,研究了射流混合层与涡核剪切层上涡的产生、发展与破碎以及它们卷吸环境气体并与射流气体混合的整个过程,揭示了射流初始过程中涡核与涡环直径的变化趋势,得到了射流轴向速度与压力的分布。数值结果可为相关发动机的设计提供重要参考。

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?.

地面效应下的不同翼型亚声速气动特性分析

采用数值方法研究了亚声速地面效应条件下不同翼型的气动特性,进一步以Ma=0.5来流工况为例,研究了翼型参数和飞行高度对气动特性的影响。计算结果表明在Ma为0.5、迎角为6°的地效情况下,翼型弯度减小,更容易在翼型前缘产生激波阻力;翼型下翼面后缘弯度增大使得后缘压力更高,升力系数和低头力矩相应增大;随着飞行高度的减小,地效作用加强,翼型下翼面压力增大,下翼面的升力增量大于上翼面吸力损失,机翼升力系数和升阻比增加越来越显著。

水下亚声速细长锥型射弹超空泡流的数值计算方法

采用理想可压缩流体无旋定常流动及超空泡尾部Riabushinsky闭合方式假定,基于水动力学势流理论及细长体理论,建立了描述水下亚声速条件下细长锥型射弹超空泡流动的积分微分方程。发展了求解该方程的数值离散方法,提出多种超空泡外形初始解,分析了它们对超空泡形态计算结果的影响,优化了计算过程,简化了初始迭代条件。分析了流体压缩性对超空泡流动参数的影响,当马赫数大于0.3时,超空泡外形、射弹表面压力系数及射弹运动压差阻力系数均明显增大。计算得到的超空泡流动参数与相关文献的理论和实验结果吻合良好。

低亚声速和跨声速矩形柱绕流的大涡模拟研究

采用基于非结构网格的有限体/有限元混合格式和大涡模拟的方法求解可压缩Navier-Stokes方程,研究了不同长宽比矩形柱低亚声速和跨声速绕流的流动特性。在雷诺数为22000时,对来流马赫数等于0.1和0.75,截面长宽比分别为1∶1、2∶1、3∶1和4∶1的矩形柱绕流进行了大涡模拟,以研究长宽比和压缩性对矩形柱绕流流场的影响。马赫数为0.1时,Strouhal数随着长宽比的增大先降低再增大然后再降低;长宽比为3∶1和4∶1时会有流动的再附产生;柱体上表面的三维特性在长宽比大时更明显。马赫数为0.75时,Strouhal数随着长宽比的增大逐渐减小;湍流脉动和涡脱落受到抑制;方柱的近尾迹区域,有两种形成机制不同的局部超声速区。

亚声速叶片与跨声速叶片的气动阻尼比较

为了研究叶轮机中叶片与流场流固耦合作用情况下的气动阻尼,分别以亚声速和跨声速转子叶片为例计算气动阻尼。根据对非定常气动力的分析,提出了一种与结构等效粘滞阻尼比对应的模态气动等效粘滞阻尼比的定义。采用弱耦合分域求解的算法,在线性范围内,计算并比较了跨声速叶片和亚声速叶片模态和振幅对模态气动阻尼比的影响,根据分布气动阻尼比研究压缩波对模态气动阻尼比的影响。研究结果表明这两类叶片的气动阻尼特性基本一致,所提参数对两类叶片的气动阻尼的影响基本相同。

低密度高亚声速引射风洞设计及性能研究

研究以火星表面大气条件和火星飞行器飞行速度为基础,设计一个低密度高亚声速引射风洞,并运用ANSYS FLUENT 15.0对多喷嘴引射风洞的性能进行了数值计算分析。首先对计算进行了网格无关性验证,在保证计算精度和减少时间与计算资源的基础上,通过研究发现:多喷嘴引射器作为风洞动力系统可满足试验段马赫数达到0.77的高亚声速马赫数要求,并且对试验段上下壁面采用各1°的扩张角可有效降低试验段边界层对压力的影响,从而使试验段静压基本维持不变;提高引射膨胀比是提高试验段雷诺数的一个有效措施,但是会降低引射系数,同时会增加试验段的静压梯度,影响试验段的气流品质。因此低密度引射风洞设计过程中必须综合考虑试验段扩张角,引射膨胀比等因素。

二维高亚声速空腔流激振荡的数值模拟研究

采用基于P .L .Roe的近似Riemann解的修正Osher&Chakravarthy (MOC)三阶TVD有限差分格式 ,数值求解二维雷诺平均全Navier Stokes方程 ,并用Cebeci Smith代数湍流模型 (对腔内区域作修正 )来模拟湍流效应 ,时间方向的积分采用四阶Runge Kutta方法 ,通过对GAMM超音速前台阶绕流的计算 ,验证了格式及程序的有效性 ,对高亚声速来流下的空腔流动作了数值模拟研究 。

高亚声速近壁流场模拟装置研究

采用计算流体力学方法对用于激光辐照热效应实验研究的高亚声速流场模拟装置的近壁流场进行了数值计算,分别针对靶材固壁为平面和弧面的情况比较了实验区无侧板和有侧板时的流场品质,结果表明侧板与靶材固壁构成的半开放槽道能够形成更大范围的均匀流实验区。根据数值计算优化的实验区结构参数研制了流场模拟装置,流场校测结果与数值计算符合良好,流场品质能够满足激光辐照热效应实验研究的要求。

亚声速等膨胀方管射流轴置换现象的数值研究

基于可压缩Navier-Stokes方程,采用大涡模拟方法与高精度WENO/TCD混合格式,对Ma=0.6的亚声速等膨胀方管射流的初始流场进行了数值研究。数值结果清晰地描述了初始主涡环的形成与三维演变过程。方管射流具有平面管与圆管射流的一般流场特征,但方管周向曲率的不一致导致轴向流动速度不均匀,使方形主涡环出现复杂的Biot-Savart自诱导变形,并在方形涡环截面上诱导形成4对反向流向涡对。在主涡环的Biot-Savart自诱导变形与流向涡对的诱导速度共同作用下致使主涡环截面形状相对于初始时旋转45°,完成轴置换。另外,在亚声速等膨胀射流中,流向涡对的诱导速度在轴置换中占主要作用。

战术弹亚声速纵横向非线性气动力计算研究

基于势流方程，进一步发展了非线性涡格法，计算研究了“ＸＸ”布局战术弹的纵横向非线性气动性能；与实验数据比较表明，本法适用于Ｍ∞≤０．８，α∞≤１５°。由于该法只需要在物面上划分网格，涡迹的松弛迭代都不超过３０次，使得该法具有适应性广、省机时、使用方便、计算准确的特点。每次计算能详细提供各部件的气动干扰性能以及分离涡的强度和位置，成为气动外形设计、研究的有力手段。

高亚声速下附面层抽吸控制压气机叶栅流动分离的研究

为研究高亚声速下附面层抽吸参数对流动分离控制的效果和机理,以高负荷扩压叶栅为研究对象,通过数值方法研究了抽吸布局和抽吸流量对叶栅内部流动分离控制效果的影响。结果表明,附面层抽吸能够显著改善叶栅内部流动,降低因附面层分离和端区角区分离、相互掺混造成的流动损失;高亚声速下附面层抽吸的最佳位置在附面层充分发展区域而非分离起始点附近;1.32%抽吸流量下,在叶片吸力面距离尾缘34%弦长处进行附面层抽吸的效果最佳,叶栅总损失降低54.03%;各抽吸槽因抽吸强度的降低使组合抽吸对于进一步改善流动效果并不明显;抽吸流量与抽吸效果呈正相关的关系,但是高亚声速下通过附面层抽吸无法完全消除高负荷叶栅内部角区分离。