倾转旋翼机悬停状态气动干扰分析

针对倾转旋翼机,开展了悬停状态气动干扰风洞试验和数值模拟研究。试验中,测量了悬停状态下的旋翼升力、扭矩以及半模机翼的气动力。同时,采用运动嵌套网格方法,通过求解N-S方程对机翼倾角0°和90°两种状态进行数值模拟,开展了数值模拟与风洞试验的相关性分析研究,验证了该数值模拟方法的有效性。结果表明:不考虑机身气动力时,孤立旋翼、机翼攻角0°和机翼攻角90°三种状态下旋翼气动特性差异不明显;考虑机身气动力时,机翼攻角0°时,机身产生约18.2%向下载荷,单片桨叶和机身出现强烈非定常气动特性,其中桨叶升力系数动态值与平均值比为9.8%,机身升力系数动态值与平均值比为18.38%。

吊装缆索气动干扰致气弹失稳研究

以吊装缆索的气动干扰致气弹失稳现象为研究背景,设计制作了考虑垂度效应以及气动外形相似的吊装缆索气弹模型。通过风洞试验,分析了缆索间距对吊装缆索气动干扰的临界失稳风速、振动频率以及运动轨迹等振动特性的影响,对比了双缆索体系和三缆索体系气动干扰致气弹失稳的差异。研究表明:当两根缆索串列布置时,下游缆索受上游缆索尾流干扰,发生了明显的尾流驰振,而上游缆索受下游缆索气动干扰不明显,气动稳定性较好,几乎不发生振动。当三根缆索串列布置时,不仅下游缆索受上游缆索尾流干扰发生气弹失稳,上游缆索也同样受下游缆索气动干扰而发生振动。双缆索与三缆索气动干扰致气弹失稳振动特性差异明显。

集装箱船上层建筑气动干扰特性与风阻优化

为优化具有多个尺寸巨大的上层建筑物集装箱船的风阻,本文以某20000TEU超大型集装箱船上层建筑为研究对象,开展风载荷和PIV流场测量风洞模型试验。根据得到的风阻与流场干扰特性,采用数值模拟对主体建筑纵向间距和局部构型进行优化布置,并通过风洞试验对优化结果进行验证。研究结果表明:主体建筑纵向间距是影响集装箱船风阻和甲板上方绕流场气动干扰的主要因素,合理调整上层建筑物纵向间距同时对建筑物棱角边缘倒圆角处理可以得到风阻性能更优的布置方案,经风洞试验验证,优化方案较初始方案风阻降低47.19%,具有较大优化空间,可为超大型集装箱船总布置设计提供参考。

考虑气动干扰下的可控锥套建模和软管锥套系统仿真

开发了一个具有4个控制面的主动控制软管锥套的动态模型,以减轻头波效应和紊流在对接阶段对空气动力干扰。使用数值模拟计算了软管锥套的空气动力特性,并使用线性和多项式函数进行简化。利用空气动力模型设计了一个线性二次调节器(Linear quadratic regulator,LQR)控制器。使用MATLAB/Simulink构建了一个软管锥套模型,并验证了主动控制软管锥套在减少干扰效应方面的效力。还使用静态模型研究了控制面偏转角对软管悬挂曲线的影响。数值模拟结果表明,主动控制软管锥套降低了头波效应和紊流的干扰影响,提高了软管锥套系统的稳定性和空中加油的成功率。

基于悬停状态下共轴双旋翼气动干扰分析

随着“低空经济”的快速发展,多旋翼飞行器因其低成本、高稳定性及垂直起降能力等显著优点,在人员运输、货物搬运和安防监控等多个领域得到了广泛应用。特别是共轴双旋翼结构由于其动力布局的高效性,已被广泛集成于各类飞行装备中,如飞行汽车、共轴直升机以及多旋翼无人机等,典型如Ehang184和小鹏汇天旅行者飞行汽车等。这种结构不仅节省空间、提供强大动力,还因其上下旋翼间可能产生的气动干扰问题而备受关注,这些问题的解决对于提升飞行器性能至关重要。

气动干扰对重型直升机外吊挂操作影响研究

当重型直升机执行外吊挂任务时,其附近的气流会产生复杂的气动干扰,影响吊挂物品的稳定性和安全性。研究气动干扰对外吊挂操作的具体影响至关重要,不仅可以增强直升机在执行精确吊挂、救灾和建设等关键任务时的作业能力,还能显著提高作业安全性。通过模拟和现场实验,能够揭示气流变化对吊载物品动态特性的作用机制,促进操作程序的优化,减少由气动力引起的振动和不稳定,确保重型直升机在复杂条件下的作业效率和成功率。此外,该研究的成果对于飞行安全管理制度的制定,以及飞行员和地面操作人员的培训都有重要的实际应用价值。

风-车-桥气动干扰作用下的汽车纵横向协调控制

为提高跨海大桥上轿车的风致行车安全能力,采用合成风和动网格耦合方法建立了轿车超越集装箱货车的瞬态分析模型,揭示了“风-车-桥”气动交互作用机理及其对轿车气动特性的影响规律。采用五次多项式插值算法建立了超车轨迹规划模型,基于模糊逻辑的双PID控制方法与径向基神经网络的滑模控制方法设计了纵横向协调控制器,开展了轿车超车过程的路径跟踪能力分析及行驶稳定性评价。研究结果表明:风-车-桥的气动干扰大小与行驶车道及位置有显著关系,纵横向协调控制器的路径跟踪控制精度和鲁棒性较好,轿车侧风稳定性提高效果明显。

构型参数对共轴刚性旋翼悬停气动干扰的影响机理

基于非定常雷诺平均Navier-Stokes方程和嵌套网格法建立了共轴刚性旋翼流场模拟方法,通过与单旋翼对比,深入分析了其气动干扰特征和形成机理,并探究了旋翼间距和转速对共轴刚性旋翼悬停气动干扰的影响机制。结果表明:桨叶相遇干扰引起的拉力波动主要取决于桨叶附近诱导流场的梯度,在悬停状态,桨叶上方、桨尖附近的流场梯度较大,因此上旋翼拉力脉冲幅值大于下旋翼,桨尖附近剖面的拉力波动大于桨根处;随着间距从基准间距逐渐增大,桨叶相遇干扰迅速减弱然后消失,周期诱导效应则逐渐减弱,但在大间距时仍然存在;旋翼转速增加会增强诱导流场强度,从而引起更大的拉力波动。

飞行爬壁桥梁检测机器人的翼间气动干扰分析

为满足飞行爬壁桥梁检测机器人的功能特点,结构上,飞行爬壁机器人在飞行状态下时,四个旋翼不在同一平面而是处于一种纵列式排列。针对这种纵列式旋翼间存在的复杂气动干扰,先对单旋翼流场进行计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)仿真并验证其可靠性。在此基础上分别对纵列式双旋翼在不同横间距、不同纵间距、不同转速的情况下进行气动仿真。然后根据仿真结果进行分析,得到横纵间距以及转速对前后旋翼以及整个系统的气动特性影响。仿真结果表明:横间距对纵列式旋翼间的气动干扰较大,而轴向间距相对较小,干扰程度与转速相关。可见本文结论可为飞行爬壁机器人的旋翼布局、转速、可行性等提供依据。

计及进排气效应翼身融合布局机体—动力装置气动干扰研究

高气动效率是翼身融合布局获得竞争优势的关键因素。为有效抑制动力装置对该布局气动效率的不利干扰,需对适用于翼身融合布局的动力装置布置形式进行深入研究。本文采用计算流体力学(CFD)技术和可计及进排气影响的动力短舱模型,对某翼身融合—背撑发动机构型进行了精细内、外流耦合数值模拟,研究了巡航点附近动力装置和翼身融合机体之间的气动干扰特征。研究结果表明,相对于孤立翼身融合体构型,全机构型的翼身融合体部件升力系数大幅降低,阻力显著增大,短舱溢流在机身上形成的高压区是升力系数降低的主要原因;转速增大,发动机对机身边界层抽吸效应增强,翼身融合体部件升力系数降低量明显减小;在低转速状态,短舱无发动机喷流部件的唇口吸力效应较强,转速增大至接近全转速时,吸力效应被抵消,该部件产生阻力。

基于PSP/TSP测量的TSTO标模级间分离气动干扰特性试验分析

两级入轨空天飞行器(TSTO)并联级间分离存在复杂的气动干扰现象,理解气动干扰特性对分离安全性设计和评估具有重要意义。本文在Φ0.5 m高超声速风洞中开展了基于压敏漆(PSP)与温敏漆(TSP)试验技术的级间气动干扰特性研究,解决了有遮挡条件下的压敏漆与温敏漆测量难题,获得了马赫数6条件下不同级间距的高分辨率大面积连续压力和温度分布特性。研究表明:轨道级头部激波直接入射至助推级壁面,与边界层相互干扰,诱导流动分离;入射激波与分离激波在级间区域会产生多次反射,形成三维复杂波系结构;随着分离距离增大,级间流场呈现从缝隙流到小通道流再到大通道流的流动特征,级间高压高温干扰区则呈现从前往后移动且峰值减弱的特点,这也是改变两级气动力/力矩特性、影响分离过程中两级位姿变化的主要因素。

多体模型分离流动的典型气动干扰形式研究

针对多体模型分离流动干扰机理问题,本文应用高速流场空间与壁面测试技术,对多体模型空中分离时面临的气动干扰问题开展了风洞试验研究。研究结果表明:空中分离流场气动干扰的本质特征源自高超声速流与多体运动界面相互作用的结果,具体表现形式可归结为三种典型气动干扰形式:(1)缝隙流的小尺度效应;(2)激波诱导边界层分离;(3)激波/激波干扰与激波/边界层干扰耦合。三种典型气动干扰形式会因为飞行器相对位置变化而相互转换,从而引起空中分离流场动力学性能变化,进而影响飞行器空中分离的安全性。

既有桥梁对新建斜拉桥主梁气动干扰效应的试验研究

为研究既有桥梁对新建斜拉桥主梁的气动干扰效应,以京珠高速改扩建汉江特大桥为背景,进行节段模型测力风洞试验。按1∶50缩尺比制作主梁节段缩尺模型,研究既有桥梁与新建斜拉桥相对位置关系、桥梁间距及风攻角对新建斜拉桥主梁三分力系数的影响。结果表明:既有桥梁对新建桥梁具有明显的气动干扰效应。既有桥梁在上游时,存在明显的遮挡效应,新建桥梁阻力系数整体显著减小;既有桥梁在下游时,新建桥梁阻力系数在正攻角范围内显著减小。升力系数受既有桥梁影响,绝对值整体减小,正攻角时既有桥梁在下游减小更显著。在正攻角范围内,既有桥梁在上游时新建桥梁升力矩系数增大,在下游时则整体减小;在负攻角范围内反之。桥梁间距对阻力系数气动干扰效应的影响突出,间距越大既有桥梁对新建桥梁阻力系数的气动干扰效应相对越小,对升力系数和升力矩系数气动干扰效应的影响较小。

新建桥梁与邻近既有桥梁主梁涡振气动干扰效应风洞试验研究

新建甬州铁路桃夭门大桥为主跨666 m的分离式三箱梁斜拉桥,与既有桃夭门公路大桥并列布置且距离较近,两桥主梁间的气动干扰是大桥抗风设计中必须考虑的关键因素。基于节段模型风洞试验方法,研究新桥单独存在和新桥和既有桥梁同时存在时新桥和既有桥梁的涡振性能,分析分离式三箱梁新桥与单箱梁既有桥梁之间气动干扰效应对主梁涡振性能的影响。在新桥单独存在时,分离式三箱梁新桥产生了大幅涡振,在开槽处设置格栅板能显著降低涡振响应;此外采用CFD仿真结果显示,开槽处设置格栅板后漩涡脱落明显降低而抑制了涡振。气动干扰研究结果表明:在不同风向下,新桥和既有桥梁之间的气动干扰效应对主梁的涡振性能影响不同。新桥位于迎风侧时,新桥的涡振性能与新桥单独存在时基本一致,下游既有桥梁对其涡振性能影响很小;迎风侧新桥的存在减小了低风速下既有桥梁的涡振响应,对既有桥梁的涡振控制有利。既有桥梁在迎风侧时,背风侧新桥会增大迎风侧既有桥梁的涡振振幅,同时,受既有桥梁尾流影响,新桥的涡振性能也更为不利。提高新桥和既有桥梁的阻尼比,可以有效地抑制其涡振响应,以满足规范限值的要求。

双矩形拱肋间的气动干扰效应研究

以某拱桥为例,通过数值模拟研究了串列双矩形拱肋的气动干扰效应,及其对两截面气动力系数的影响。在对计算模型进行验证的基础上,进一步研究了截面宽高比、间距比和来流风攻角对拱肋周围流场的影响,并结合压力云图和湍动能云图解释了气动力系数的变化规律,讨论了不同宽高比截面的漩涡脱落频率与结构自振频率之间的关系,分析了两拱肋升力时程的差异对整体扭矩可能产生的增大效应。结果表明:串列拱肋间的气动干扰效应显著。受上游截面尾流的影响,下游截面的阻力系数明显减小,其值与漩涡的形态、能量大小、移动轨迹等因素密切相关。上、下游截面的升力时程在幅值和相位上存在明显差异,导致拱肋整体的力矩增大,其效应随宽高比或间距比的增大而明显加强,随风攻角的增大而有所降低。漩涡脱落频率随宽高比的增大呈先增大后减小的趋势,而受间距比、风攻角的影响有限。对漩涡脱落频率与宽高比的变化进行多项式拟合,结合结构的模态频率可为拱肋的气动外形设计提供参考。

共轴刚性旋翼/机身悬停状态气动干扰计算分析

采用基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程的CFD方法和运动嵌套网格技术,建立了共轴刚性旋翼/机身气动干扰分析方法,并采用风洞试验数据进行了验证。计算分析了不同总距下共轴刚性旋翼与机身间的气动干扰特性。结果表明,随总距增加,旋翼拉力逐渐增大,但由于旋翼和机身的相互干扰现象,旋翼和机身的拉力总和降低。这是由于受旋翼下洗流影响,机身会产生较大的呈四阶变化负升力,导致总拉力降低。此外还发现,在机身干扰作用下旋翼非定常拉力峰值显著增大,桨盘平面诱导速度分布更加不均。

“2-lead”多直升机升力系统的气动干扰和性能变化

参与协同吊挂的直升机属于近距离编队飞行,旋翼尾流之间存在严重的气动干扰,从而带来复杂的气动力学耦合问题。因此在研究性能优化、先进编队控制之前,有必要研究协同吊挂系统的气动干扰及其带来的性能变化。本文以4架纵列式直升机组成的“2-lead”队形的协同吊挂系统为研究对象,采用黏性涡粒子/面元法研究直升机协同吊挂系统稳定飞行状态下的性能和流场。其中,系统的稳定飞行状态通过分层配平法得到,涡/面法通过风洞试验数据验证。在此基础上,研究了不同飞行速度及不同直升机相对位置下的系统气动干扰和性能变化。计算结果表明:前飞时,研究对象中前后布置的直升机间存在严重的气动干扰。其中,前进比为0.1时,队列中后方纵列式直升机的前旋翼存在20%的推力损失和15%的功耗增加。当队列中直升机间的纵向距离大于3.5倍旋翼直径D、侧向距离大于0.75倍旋翼直径D,或垂向距离大于0.5倍旋翼直径D时,气动干扰均会大大降低。

公铁同层双幅非对称主梁气动干扰特性研究

为研究公铁同层非对称双幅桥主梁间的气动干扰效应,对某大跨度公铁双幅斜拉桥进行节段模型风洞试验,测试不同风向条件下单、双幅主梁的气动特性,并辅以数值模拟研究,在验证数值模拟结果准确性的基础上,分析单、双幅主梁周围流场的分布特征,研究双幅主梁间气动干扰效应的影响。研究结果表明:双幅主梁中的上游主梁和单幅主梁气动特性相似,但双幅主梁中的下游主梁气动特性发生明显变化,且下游公路主梁和下游铁路主梁气动特性的变化形式不同,由于双幅主梁的非对称性,上游主梁对下游主梁的气动影响特性并不相同。当铁路主梁迎风时,下游公路主梁上表面迎风侧所受正压减小,但下表面迎风侧所受正压增大,此时铁路主梁和公路主梁尾部均有交替旋涡脱落,双幅主梁处于双涡脱流态;当公路主梁迎风时,下游铁路主梁迎风侧风压的绝对值均减小,气流分离后再附位置向迎风侧移动,此时交替涡脱现象仅在铁路主梁的尾流区形成,双幅主梁处于剪切层再附流态。下游主梁气动特性的差异来源于双幅主梁非对称引起的气动干扰规律变化,不同来流方向下空气的绕流特征和主梁周围旋涡的脱落—附着行为存在明显区别,故必须综合考虑不同风向下双幅主梁的气动特性差异。研究成果可为考虑气动干扰效应的大跨公铁同层双幅桥气动设计提供参考。

旋翼/机翼气动干扰对复合式直升机性能影响

为研究旋翼/机翼气动干扰对双螺旋桨推进复合式直升机的高速飞行性能的影响,建立一种可快速预测复合式直升机飞行性能的模型,以加装机翼和螺旋桨的AS365N“海豚”直升机为样例,分析了400 km/h高速飞行时,旋翼/机翼气动干扰对全机飞行性能的影响及机理,并探讨了用副翼操纵配平气动干扰引起的机翼滚转力矩时,全机功率的变化规律。研究表明:气动干扰增加了机翼的诱导速度,导致机翼的升力系数降低、阻力系数增加。在旋翼不对称涡系的作用下,位于旋翼前行侧下机翼的诱导速度和升阻力系数变化比后行侧的更显著。气动干扰导致机翼升力分配从80.00%降低至71.59%,旋翼升力分配从20.04%增加至28.48%。旋翼、螺旋桨和全机功率分别增加了16.60%、1.86%和3.76%。气动干扰使机翼滚转力矩增加、旋翼滚转力矩减小,利于全机配平,但会增加全机功率。用副翼操纵来平衡由气动干扰引起的机翼滚转力矩时,旋翼侧向周期变距和阻力减小,降低了全机功率。

双翼布局低雷诺数气动干扰效应

为了进一步探索双翼布局总体气动特性随两翼之间相对几何位置的变化规律,在前期风洞实验的基础上,以具有较大厚度的NACA0030翼型为基准模型,设计了一系列具有不同几何特征的双翼布局。随后,基于混合网格和雷诺平均Navier-Stokes方程,采用自主发展的流场求解器对这些双翼布局开展了非定常数值模拟工作,详细地探索了低雷诺数Re=1.20×10^(5)流动情况下双翼之间的弦向相对位置、法向相对位置对双翼布局流场涡流结构和总体气动特性的影响规律。分析结果表明,双翼之间距离越近,气动干扰效应越显著。当弦向相对距离小于1.2、法向相对距离小于0.8时,双翼之间气动干扰效应较明显。相对于弦向距离,法向位置对气动特性的影响更为显著。通过设计合理的相对几何位置,相对于单翼布局,双翼布局的总体气动效率可提高50%,因此双翼布局可以作为未来低雷诺数飞行器的气动设计选择方案。