细长体大迎角非对称涡流的数值研究

通过数值方法对大迎角细长体低速湍流流场的模拟,探讨头部顶端极小扰动对细长体非对称绕流形成与发展的影响.结果表明在细长体顶端附近施加极小扰动可以模拟出实验观测到的非对称流场,非对称的涡系结构沿轴向是逐步发展的,截面侧向力沿轴向的分布呈现正弦型曲线的变化特征,扰动能量经过指数增长后达到饱和,有效扰动的规模影响涡流非对称性的大小及分布,单侧扰动产生的流场非对称性随扰动周向位置的变化呈现单周期性规律.小扰动诱发非对称的数值算例表明非对称绕流的形成是源于流场的空间不稳定性机制.

头部钝度对大迎角非对称多涡流动特性的影响

在西北工业大学NF 3风洞通过表面测压和物面油流实验以及在北京航空航天大学1.2m水洞利用染色线显示和激光片光技术,对尖头和钝头拱形细长体大迎角绕流结构和气动特性进行了研究。结果表明,尖头拱形细长体在大迎角下(45°≤α≤60°)表现出非对称多涡的复杂涡系流动现象,相应的截面侧向力CZ沿轴向呈现出类似正弦曲线形式的减幅振荡,并且侧向力幅值较大(1<CZ<3.5);而将尖头改为钝头,CZ的幅值比原来减小2/3(CZ<1),而且在某些滚转角下呈现侧向力分布基本为零的现象。文中分析了侧向力大幅度减小的机理,认为尖拱头部顶端变钝后,物面分离线由开式分离变为闭式分离,并且在顶端背风侧形成U形马蹄涡结构;马蹄涡的作用是约束背风侧2个主涡,抑制非对称的出现。

亚临界雷诺数细长体绕流流态随迎角的变化和分区

通过在北航1.2m水洞中利用染色液显示和激光片光技术的显示实验以及在西工大NF-3风洞中进行的表面测压实验,对拱形头部细长旋成体在无侧滑条件下的流场结构和流动特性随着迎角的变化进行了实验研究。在流动显示和测压结果分析的基础上,对迎角从0°到90°范围内绕细长体的流动进行了流态分区,即细长体绕流经历6种流态:极小迎角下(0°≤α≤3°)物面附着绕流流态、小迎角下(3°<α≤25°)背部对称旋涡流态、中等迎角下(25°<α≤40°)背部2个非对称旋涡流态、大迎角下(40°<α≤60°)的非对称多涡系复杂流态、特大迎角下(60°<α<75°)背部多个旋涡依次破裂的流态、极大迎角下(75°≤α≤90°)背部类卡门涡街(或随机尾迹)流态。阐述了不同区域的流动特性和气动特性。

80°/65°双三角翼模型大迎角气动特性风洞实验研究(英文)

在气动中心低速所Φ3.2m风洞综合运用测力、测压、烟流和PIV流场测量等手段对80°/65°双三角翼模型大迎角气动特性、压力分布及空间流场结构演化规律进行了研究。试验雷诺数为0.49～1.3(×106),迎角为0°～60°。研究结果表明:不同实验手段获得的研究结果之间具有较好的相关性,该双三角翼在迎角30°时升力系数出现最大值,在迎角30°～37°之间,升力系数变化不大,之后升力系数急剧下降;迎角超过30°,前缘涡出现破裂,迎角由38°增至40°,吸力峰消失,压力系数骤降,迎角超过40°吸力峰完全消失,前缘涡完全破裂。

细长体大迎角非对称流动的高速PIV风洞试验研究

具有细长前体构型的飞行器在大迎角绕流中会出现明显的非对称涡系流动及其伴随而来的非对称力，该现象受多种因素影响，而其中对压缩性效应的研究相对较少。在0．6m 亚跨超声速风洞中，采用 PIV 测量技术，对尖拱细长旋成体大迎角非对称流动开展了试验研究。试验 M 数范围为0．4～1．2，迎角为40°。试验结果表明：细长体模型在高速情况下仍然存在非对称多涡流动结构；Re 数和压缩性均对非对称涡流动产生明显影响；模型头尖部人工微扰动与非对称涡之间存在确定的响应关系。

不同迎角下前体涡流动的等离子体控制特性

应用一对单介质阻挡放电等离子体激励器对20°顶角圆锥-圆柱组合体圆锥段分离涡流场进行了主动控制研究。实验在3.0 m×1.6 m低速风洞中进行,迎角35°～70°,基于圆锥段底面直径的雷诺数为5.0×104。实验结果包括7个测量截面周向压力分布、由周向压力分布推断得到的截面处空间涡结构以及积分得到的截面当地力和圆锥段力。实验结果表明:(1)在35°～50°迎角范围内,圆锥段流场只有一对非对称的主涡,圆锥段分离涡流动呈现近似锥型流特性,随着迎角增大,圆锥段侧向力系数符号不变;(2)在50°～70°迎角范围内,圆锥段流场呈现多涡结构,圆锥段分离涡流动不再呈现锥型流特性,此时随着迎角增大,圆锥段侧向力系数会发生多次变号;(3)等离子体控制使得圆锥段对涡流场中第1个新涡出现的迎角推迟。

高速风洞超大迎角试验技术初步研究

大迎角风洞试验技术是先进高机动飞行器研制必需的关键技术。气动中心发展的高速风洞超大迎角试验技术 ,包括大迎角机构、模型、天平等。 1 .2m风洞超大迎角试验结果与 2 .4m量级的大风洞试验数据具有较好的一致性 ,试验精度基本达到了××标准对小迎角试验精度的要求 ,表明 1 .2m风洞超大迎角试验技术研究获得了成功。

细长体大迎角压缩性效应试验分析

采用尖拱细长体模型,在高速风洞中完成了压缩性对大迎角非对称流动影响的试验研究。试验迎角范围为10°～50°,M数范围为0.4～1.2。试验结果表明:压缩性对非对称流动的产生和发展过程不产生本质影响,但影响非对称的强弱和发展速度;当横流Mc<0.4时,流动非对称性随M数增加而增加,当Mc>0.4时,流动非对称性随M数增加而减弱;Re数和压缩性均对非对称涡流动产生明显影响。

尖头细长体中小迎角流动结构的数值模拟和实验研究

利用可压缩层流Navier-Stokes方程模拟了尖头细长体中小迎角的流动结构。给出了4个迎角状态的物面流谱,分析了极限流线随迎角的发展过程;给出了25°迎角的横截面流谱,分析了它们的拓扑特征。展示了由主涡涡对、二次涡对和Tertiary涡对等三重涡组成的完整的涡系结构,强调了Tertiary涡在涡系演化中的意义,及其沿轴向发展过程中迹线的合并与分叉现象。计算与实验结果定性一致。

后掠翼对细长体中段大迎角绕流的影响

采用在细长体顶点处添加扰动块的方式使细长体的绕流具有确定性．研究了在大迎角下，后掠翼对细长体绕流结构和气动力特性的影响．实验结果表明，在30°迎角时，细长体中段背风侧的流动和压力分布受到后掠翼与头部背涡的双重控制．在迎角a=40°-60°范围内，后掠翼对细长体中段绕流起主控作用，使细长体中段背风侧流动呈现完全分离流状态，使得中段背风侧的压力分布保持为均值．

钝头旋成体背涡迎角效应的分区性态

为了实现空空导弹的高机动性,基于模型后体直径D以及试验风速的雷诺数Re_D=1.54×10~5,通过风洞测力和测压试验对钝头旋成体背涡流动特性随迎角的演化形式进行了研究。根据对模型不同迎角下所受侧向力、截面压力分布以及截面侧向力系数随时间波动情况的分析,确定了不同迎角下的钝头旋成体背涡流动形式。以此划分了4个迎角分区:附着流动区(α≤10°)、对称涡流动区(10°<α≤20°)、定常非对称流动区(20°<α≤50°)和非定常非对称流动区(α>50°)。对各迎角分区的背涡流动特性进行了详细讨论。

低背鳍对细长平板三角翼分离涡稳定性影响的研究

对细长锥体分离涡稳定性判据进行了介绍,并应用该判据对细长体平板三角翼和加上两个不同高度背鳍组合体分离涡流场的稳定性进行了分析。为了验证理论分析的有效性,并观察气动力随迎角的变化,根据理论分析模型设计了实验模型,并在低速风洞进行了六分量天平测力实验,三角翼后掠角为82.5°,实验迎角范围12°～32°,侧滑角范围-10°～+10°,实验雷诺数1.66×106。实验结果表明:在翼面上发生旋涡破裂前,单独细长平板三角翼的横向力/力矩在实验迎角范围内始终为零;加了两个不同高度的背鳍后,在一定迎角下,三角翼的横向力/力矩变得不为零。理论分析结果和实验结果在定性上吻合得很好,初步验证了有关文献关于细长锥体分离涡的稳定性理论。

边条翼后掠角对钝头细长旋成体非对称流动的影响

为探究大迎角时边条翼前缘后掠角对钝头细长旋成体导弹绕流特性的影响,开展了模型表面测压和粒子图像测速的风洞实验,研究了亚临界Reynolds数Re=150000、迎角α=50°条件下不同前缘后掠角固定边条翼的钝头细长旋成体非对称绕流特性.结果表明,在边条翼上游区,后掠角增大使边条涡涡位更靠近前体物面且对称性更好,导致前体物面的压力分布更对称,截面侧向力减小;在边条翼区,后掠角增大加强了边条涡对前体非对称涡系的诱导作用;在边条翼下游区,后掠角增大减弱了边条涡对旋成体非对称涡系的诱导作用,加剧了旋成体物面的压力分布不对称性,导致截面侧向力变大.

细长旋成体大迎角正则态非对称涡系结构的物理模型

在亚临界流动范围内,对具有尖拱型头部的细长旋成体在无侧滑大迎角下利用在头部设置微扰动块取得稳定的、可重复的正则态非对称涡绕流流型.通过对物面压力分布、截面侧向力分布和流动显示相结合的实验与分析,揭示了细长旋成体在大迎角下这类正则态复杂涡系从头部沿轴向发展中所呈现出的非对称起始二涡和充分发展二涡、三涡等多涡系,最后在尾部演变为类卡门涡系的复杂流型.给出了这类涡系沿轴向演化与相应的截面侧向力变化之间的相关关系.分析了截面侧向力分布曲线中的特征点所反映的涡系结构演化特征及其相应的压力分布特征.在上述研究结果的基础上建立了细长旋成体大迎角正则态非对称涡系流动结构的物理模型.

不同形式等离子体激励对细长体分离涡的控制

应用一对单介质阻挡放电(Single-Dielectric Barrier Discharge,SDBD)等离子体激励器对20°顶角圆锥前体分离涡流场进行了主动控制实验研究。在模型尖端处表面上布置两组不同形式的介质阻挡放电等离子体激励器,通过左、右舷等离子体激励器分别开启来实现对圆锥前体非对称涡流场的控制。对圆锥前体8个测量截面的周向压力分布进行了测量,并对相应的缩比模型进行了固定截面的粒子图像测速实验(Particle Image Velocimetry,PIV)。静态压力测量实验在3.0m×1.6m低速低湍流直流闭口风洞中进行,粒子图像测速实验在0.6m×0.5m低速直流开口风洞中进行,迎角固定在45°。研究结果表明:对两种不同形式和布置位置的激励器,当左、右舷激励器分别开启时,压力分布均出现了明显的变化,显示出等离子体激励对非对称分离涡流场可以进行有效控制;顺吹型和逆吹型等离子激励器对流场产生影响的效果和机理有所不同,应用顺吹型等离子体激励器时的流动控制有效风速要高于使用逆吹型等离子体激励器。

压缩性对细长体涡流非对称发展的影响

通过数值方法对大迎角细长体湍流流场的模拟,探讨压缩性对细长体非对称绕流发展的影响。结果表明细长体顶端的极小扰动诱发显著的非对称绕流,非对称的涡系结构沿轴向是逐步演化的;在亚临界横流马赫数区间,马赫数越高非对称越显著;在超临界横流马赫数区间,细长体两侧出现横流激波,非对称的发展被抑制,马赫数越高非对称越弱。

旋成体非对称涡Re数效应的分区性态研究

本文利用长细比为3．0的尖拱形头部，其后为圆柱段，整体长细比为6．0的旋成体模型在北京航空航天大学流体力学研究所D4低速风洞和西北工业大学翼型、叶栅重点实验室NF-3风洞中进行了大攻角非对称涡绕流的胁D数效应及其分区性态的实验研究，其胁。数变化范围是0．6×10^5-13．3×10^5。文内首先研究和详细讨论了不同胁。数下非对称涡性态的分区特性；其次，为了研究湍流分离下过临界非对称涡流动的性态及其忍。数效应，本文发展了利用粘贴转捩带或转捩丝的人工转捩实验技术；在此基础上详细研究了过临界胁。数下非对称涡流动的性态包括流动的确定性、头部扰动周向位置变化引起非对称涡的演化规律以及过临界区的胁数影响规律。

高速下模型头部扰动与非对称涡流动响应研究

采用尖拱细长旋成体模型，在M=0．4～1．2范围内，通过表面压力测量和PIV流态观测手段，对高速情况下模型头尖部微扰动与大迎角非对称涡流动的响应关系进行了研究。研究结果表明：在此高速范围内，尖拱细长旋成体的大迎角流动仍然呈现出非对称多涡结构，头部微扰动对非对称涡有影响，但对模型的非对称气动力影响不明显。

前体非对称涡流动临界雷诺数效应及分区特性

通过模型表面测压和油流显示,对旋成体于50°迎角在临界雷诺数区域（0.13×10^6~0.81×10^6）的压力分布和侧向力特性随雷诺数变化的演化规律进行了研究,结果表明,随着Re数从亚临界增加至临界区域,模型表面的低位涡侧首先出现层流分离气泡成为转捩分离（Tr）,而高位涡侧仍处于亚临界层流分离（L）,非对称更为显著,侧向力较亚临界区有所增加;随着雷诺数进一步增加,高位涡侧才成为转捩分离,此时非对称流动逐渐演变成对称流动,压力分布呈对称的平台状,侧向力明显减小,因此,通过流动分离前的压力恢复值作为判则,根据旋成体两侧边界层分别处于L/Tr和Tr/Tr状态,可将临界雷诺数区域划分为临界起始发展区和临界区。最后据此判则讨论了旋成体绕流沿轴向多种流态共存的现象。

圆锥前体涡的等离子体控制特性及机理

在半顶角为10°的圆锥前体尖端处布置一对等离子体激励器,通过占空循环控制技术实现了对圆锥前体力和力矩的近似比例控制,并对流动控制机理进行了讨论。采用静态和动态压力测量实验技术对圆锥前体各测量截面轴向压力分布进行测量,并对流场旋涡结构变化进行了二维粒子图像测速。实验在3.0m×1.6m低速低湍流度风洞中进行,迎角45°,基于圆锥段底面直径的雷诺数为5×104。实验结果表明,等离子体激励器关闭时圆锥前体涡流场非对称,当左、右舷等离子体激励器开启时,涡流场在双稳态之间转换;在占空循环控制下,不同周期同一相位的平均压力结果表明涡流场具有一定的周期性并且在2个稳态之间平缓变化,但变化幅度较原来的双稳态小。