后掠翼人工诱导横流驻波的升华法研究

改进了添加粗糙带方法,使用丝网印刷方式在后掠机翼前缘添加特定间距的粗糙带。成功地在边界层内引入了特定波长的驻波,提高了人工诱导驻波波长精度。在西北工业大学低湍流度风洞中使用升华法研究了单一波长驻波的发展趋势,其扰动发展趋势与计算结果吻合得很好。

后掠机翼横流驻波及其谐波研究

使用Mack方法求解三维不可压Orr-Sommerfeld方程(忽略曲率影响),得到模型在风洞最佳实验条件下空间最大放大率展向波长为4mm。以此为基础,选择大于此波长的具有代表性的展向扰动波长6mm与7mm,计算了这两个驻波及其谐波空间的放大率。研究在整个层流区主导流动的扰动波长及其发展趋势。使用丝网印刷的方式,在后掠机翼前缘添加粗糙带,人工引入6mm与7mm驻波,通过升华法验证了计算与理论分析。

横流驻波增长因子模式在跨声速边界层的应用

经过近半个世纪的研究表明,在航空航天飞行器表面边界层的转捩预测方面,基于线性稳定性理论(linear sta-bility theory,LST)的e^(N)方法是国内外知名研究机构非常信赖的方法之一,然而传统的线性稳定性理论求解过程较为复杂,难以推广应用到复杂的气动外形。随着当地化转捩模式的快速发展,将传统线性稳定性理论的分析流程模式化,即将线性稳定性理论分析转化为一个CFD问题,成为研究热点。在Coder&Maughmer发展了二维Tollmien-Schlichting(T-S)波的增长因子输运方程之后,本文作者于2019年首次提出了低速边界层的横流驻波增长因子输运方程,并在2020年将其拓展至跨声速流动。本文选取了只针对跨声速后掠翼边界层横流转捩的试验标模验证该方法的合理性和精确性。经过验证,所提出的横流关键指示因子的当地化预测公式构造合理,增长因子模式的预测结果与标准LST和风洞试验结果吻合良好。

层流翼型三维边界层横流驻波精确测量方法研究

后掠机翼的层流控制对于气动减阻有着重要的意义,同时也是非常复杂的研究课题。而对横流驻波的研究是实现层流翼型的一个关键。为此,本文分析并研究了在低湍流度风洞中,采用热线风速仪(CTA)与表面升华法相结合研究由横流不稳定性产生的驻波及其对转捩影响的实验技术,阐述了该实验中架设热线测量系统与升华法表面喷涂的相关技术与细节。实验得到了边界层内的速度剖面图、升华法图形、驻波间距和楔形转捩线。实验结果的综合分析表明热线和升华法一致性很高。说明通过热线风速仪可以方便地测得三维边界层内的流动状态,热线支架在合适的角度下不会影响测量结果,热线探头在测量中对边界层流场的影响较小。所以热线测量的结果可以视作实际流场。研究结果说明,这种研究驻波的方法是可靠而且十分有效的。

基于线性抛物化稳定性方程的后掠翼边界层内横流稳定性研究

采用有限差分法求解考虑模型曲率的线性抛物化稳定性方程(LPSE),分析无限展长后掠翼边界层内的横流驻波不稳定,并与实验结果进行对比,研究LPSE方法的模拟效果及其适用范围.研究表明,在横流驻波扰动增长的初期,LPSE能够准确的预测扰动的eN曲线,较好地描述边界层内的流动结构和扰动形态;当扰动增长到足够大时,扰动的高阶项不能再被忽略,LPSE的线性假设不再成立,需要采用非线性的方法(NPSE)来分析该状态.计算分析发现,模型曲率和边界层非平行性对后掠翼边界层内横流驻波的稳定性分析影响很大,影响程度与雷诺数无关.对于本文研究的模型,曲率对边界层内的横流扰动起着稳定的作用,而非平行性对扰动起不稳定的影响.

基于线化稳定性理论的后掠翼边界层内横流稳定性研究

采用Mack方法求解忽略曲率和压缩性的三维线化稳定性方程(Orr-Sommerfeld方程),针对无限展长后掠翼,计算分析边界层内不同波长横流驻波沿弦向的放大率,确定最不稳定波的波长。计算结果与参考文献中的实验结论和计算结果符合较好,表明该方法能够准确的预测出最不稳定波的波长,可以用来指导横流驻波主导下的后掠翼流动稳定性问题研究。

基于升华法实验研究后掠翼三维边界层的转捩

在西北工业大学的低湍流度风洞,采用升华法研究不同雷诺数下后掠翼上表面的转捩现象。实验发现雷诺数较低时,后掠翼上的转捩由流向不稳定触发,转捩位置在最小压力点之后,转捩分界为一条直线;当雷诺数足够大时,转捩由横流驻波不稳定触发,转捩提前到最小压力点之前,转捩分界呈现尖楔形状。该结果表明升华法不但能够较准确地分辨出后掠翼上的转捩位置,还能够区分不同的转捩机理,判断转捩是由流向不稳定还是横流驻波不稳定触发。此外,实验中还发现在横流驻波不稳定增长较大时,升华法能够提供转捩上游区域边界层内的横流不稳定信息;当横流驻波不稳定进一步增强时,该不稳定受模型表面粗糙度的影响较大,萘的喷涂有可能会影响到升华法的结果。

后掠翼被动层流控制研究

基于前缘粗糙元阵列的后掠机翼被动层流控制技术的关键在于控制波长的选择.从控制波与流场相互作用的物理机制出发,提出了快速波假设.使用Mack方法求解三维不可压缩Orr-Sommerfeld方程,研究了无限展长后掠翼的最佳控制波长的选择问题.对于Saric的实验状态采用定点计算方法验证了8 mm为控制波长,使用自适应搜索方法得到了西北工业大学模型在不同状态下的最佳控制波长,并通过风洞试验实现了转捩的推迟.提出了丝网印刷添加粗糙元阵列技术与混合溶剂升华法,丰富了实验手段.

基于线性稳定性理论的转捩控制试验

使用线化稳定性理论研究了某后掠机翼试验模型在风洞试验条件下可能的试验结果。在当前试验条件下,三维边界层中横流驻波的不同波长扰动发展趋势不同,根据理论分析和数值计算给出了最大放大率波长为4.0 mm。通过升华法试验验证了理论分析与数值计算结果。在试验中使用丝网印刷技术在后掠机翼前缘添加粗糙带,成功地引入了理论计算的最大放大率波长。根据预期影响了三维边界层的转捩。