旋翼桨叶表面非定常载荷测量风洞试验技术

针对旋翼桨叶表面非定常载荷测量与分析问题,提出一套风洞试验的完整技术方案。采用内嵌传感器的设计方案,研制多通道旋转数据采集器,使用外时钟和外触发的同步采样方法,实现旋翼在运动中按等角度间隔次重复采样功能,解决了旋翼方位角和样本数据的同步性问题。风洞试验结果验证了该项试验技术的可行性。

基于大涡模拟的横风下高速列车非定常气动载荷特性

为研究横风环境下高速列车的非定常气动载荷特性,基于大涡模拟方法建立高速列车三维绕流流动数学物理模型,研究不同横风风速及不同车速下高速列车非定常气动载荷的时域特性、频域特性、组成特性及脉动特性。计算结果表明:横风下高速列车气动载荷具有明显的非定常特性,简化中心的选择会影响气动力矩的非定常特性。从气动载荷的变异系数来看,侧力、侧滚力矩和摇头力矩的非定常现象随侧偏角的增加而增大,倾覆力矩与点头力矩的非定常现象随侧偏角的增加而减小,而升力的非定常现象随侧偏角的增加先增大后减小。频谱分析表明,头车非定常气动载荷的峰值频率与流线型车头、车身非定常气动载荷的峰值频率有很好的对应关系。高速列车非定常气动载荷的主要峰值频率集中在0～5Hz,这与高速列车系统本身存在的一些固有振动频率接近,存在由于横风引起列车系统共振,进而发生列车倾覆的可能性。

随机风作用下高速列车的非定常气动载荷

为研究随机风作用下高速列车的非定常气动载荷,基于COOPER理论和谐波叠加法计算随高速列车移动的点的脉动风,分析车速和平均风速对量纲一功率谱密度的影响。采用计算流体动力学方法数值计算气动载荷系数随侧偏角的变化规律,研究随机风作用下高速列车非定常气动载荷的计算方法,并推导出非定常气动载荷的概率分布特性。通过仿真分析车速为200～400 km/h,平均风速为10～35 m/s时的脉动风和非定常气动载荷发现,量纲一功率谱密度随车速的增加往高频部分移动,平均风速的变化对其影响较小;平均风速对脉动风速的影响大于车速对脉动风速的影响;当考虑侧偏角的变化时,计算得到的非定常气动载荷的波动增大;采用准定常法和改进准定常法计算得到的非定常气动载荷具有随机过程的遍历性,而采用权重函数法及改进权重函数法计算得到的非定常气动载荷不具有随机过程的遍历性。

二维随机风下高速列车非定常气动载荷研究

为研究自然风下高速列车的气动载荷特性,基于Cooper理论和谐波叠加法建立考虑自然风纵向脉动分量和横向脉动分量的二维随机风数值模拟方法,通过对比纵向脉动分量和横向脉动分量的模拟功率谱密度与目标功率谱密度,验证随机风数值模拟方法的正确性,并建立二维随机风下高速列车非定常气动载荷的计算公式。数值计算时,列车速度为200~400 km/h,平均风速为10~35 m/s,计算结果表明,随机风具有较大的横向脉动分量,其波动程度略小于纵向脉动分量的波动程度。无论是否考虑随机风速横向脉动分量,高速列车非定常气动载荷均近似服从正态分布。随机风速横向脉动分量对非定常气动载荷的均值几乎没有影响,但使非定常气动载荷的标准差有所增大。

随机风作用下高速列车非定常气动载荷的计算方法

基于Cooper理论和谐波叠加法计算随车移动点的脉动风速,分析不同风向角下脉动风速的功率谱密度特性。在横风下高速列车非定常气动载荷计算方法的基础上,建立了侧风下高速列车非定常气动载荷的计算方法,并用此方法分析了侧向随机风作用下非定常气动载荷的统计特性,给出了各气动载荷的峰值因子。研究表明,当风向角接近90°时,无量纲功率谱会往高频移动,风向角对脉动风速的影响较小;在各个风向角下,气动载荷的标准差与平均值的比值仅依赖于侧偏角,侧力与侧滚力矩的峰值因子相同,摇头力矩与点头力矩的峰值因子相同。

共轴刚性双旋翼非定常气动干扰载荷分析

共轴刚性双旋翼系统提高直升机最大前飞速度,但旋翼振动载荷明显增大。为研究高速共轴刚性双旋翼系统振动载荷特性,须首先分析共轴刚性双旋翼气动干扰下的非定常气动载荷。基于非定常面元法建立满足桨叶前缘和后缘边界条件的旋翼反流区气动模型以体现高速共轴刚性双旋翼后行边反流区影响,且增加共轴刚性双旋翼桨尖涡-桨叶气动干扰模型以体现共轴刚性双旋翼非定常气动干扰影响,并结合基于黏性涡粒子法的共轴刚性双旋翼尾迹模型,构建高速共轴刚性双旋翼气动干扰下的气动载荷分析方法。通过计算前飞状态下的X2共轴刚性双旋翼特征剖面非定常气动载荷时间历程,并与PRASADUM以及基于NASA OVERFLOW和CREATE AV Helios的CFD/CSD计算结果对比,验证本文共轴刚性双旋翼非定常气动载荷分析方法的有效性。相比于PRASADUM,本文分析更好地体现上、下旋翼在前行边和后行边非定常气动载荷的变化特性,并与CFD/CSD计算结果更吻合。分析X2上、下旋翼气动干扰对共轴刚性双旋翼桨叶非定常气动载荷的影响,以及单旋翼与共轴刚性双旋翼非定常气动载荷差异。分析表明,低速状态下的共轴刚性双旋翼非定常气动载荷受双旋翼桨尖涡干扰显著,而高速前飞状态受双旋翼桨叶干扰明显,且表现出桨叶片数整数倍的辐射状干扰特征。

考虑风速纵、横分量的列车气动载荷变化特性

为探索侧向环境风作用下列车气动载荷变化特性,对任意风向角下随车移动点处的风速纵、横分量进行建模,研究考虑风速纵、横分量的列车气动载荷计算方法,并分析在列车速度200~400 km/h、平均风速10~35 m/s及风向角30°~150°时的列车气动载荷特性.研究发现:在不同风向角下,考虑风速横向分量后,高速列车气动载荷波动变大,作用于列车上的瞬时气动载荷极值增大;风速横向分量主要影响列车气动载荷的标准差,且影响程度与风向角有关;随着风向角接近临界风向角,风速横向分量对列车气动载荷标准差的影响逐渐变小,随着风向角远离临界风向角,风速横向分量对列车气动载荷标准差的影响逐渐变大;列车气动载荷的标准差/均值主要与侧偏角有关,且在风向角为30°及150°时较大,其次是风向角60°和120°,而在风向角90°时则较小.

风力机风轮非定常气动载荷计算

运行中的风力机风轮经常受到自然风变化带来的非定常气动力的作用。数值模拟这一非定常气动力对于风力机的安全优化运行和性能改进具有重要意义。文章介绍了所开发的基于粘性修正的三维速度势面元方法,以速度势方程作为流动控制方程,使用Prandtl-Schlichting方法考虑空气在叶片表面的粘性作用。通过与风力机的试验数据对比显示,计算值均与试验值吻合良好,显示了用该计算方法估算风力机三维非定常气动力和扭矩的应用价值。

高速列车横风作用下的非定常气动载荷计算模拟

为模拟横风环境下高速列车所受气动载荷，选择Karman修正风速谱为目标谱，采用线性滤波法（AR模型）模拟了随列车移动点的脉动风速时程。基于风速风压关系，分析了气动栽荷的计算方法，引入气动导纳函数，计算了高速列车横风作用下的非定常气动载荷，最后通过MATLAB编程实现非定常气动力的模拟。通过对列车运行速度70m／s、平均风速为25m／s工况下的脉动风速及非定常气动力的计算模拟，结果表明，风速时程能量主要集中在0—3Hz频域段，与列车系统固有的一些振动频率相近，存在引起列车系统共振、引发倾覆事件的可能。

风力机非定常气动力降阶模型

由于在非定常气动环境下运行的风力机会受到非定常气动载荷的作用,采用2种降阶模型(ARMA模型和Volterra级数模型)对风力机翼型的非定常气动载荷进行了预测,并将预测结果与CFD仿真结果进行比较,以验证模型对非定常气动载荷的预测能力.结果表明:在流动附着工况下,ARMA模型有较好的预测能力,在流动分离工况下Volterra级数模型的精度较高;这2种降阶模型能够在相对较小的计算成本条件下给出不同工况下风力机随时间变化的气动特性,为风力机气动弹性方面的设计与优化提供参考.

复杂地表特征下超大型风电机组载荷响应

随着风电退补贴和双碳战略目标的到来,风电场不断被安装在各种复杂地形下。为了研究不同复杂地表特征对百米级大型风力机非定常载荷的影响,基于实测风速谱模型,对不同典型地表特征参数的边界层大气采用逆Fourier法生产全域端流风速,之后耦合叶素动量理论和几何精确梁方法对总高度为270m的15MW超大型风电机组进行载荷响应计算,通过与功率曲线理论值对比验证了方法的准确性,计算误差约为7%。之后,对不同地表特征参数下的风力机载荷进行仿真,结果表明,地表特征参数的增大可使风力机功率、叶根摆振力矩和叶根挥舞力矩分别降低约8%、5%和5%左右;该特征参数对风力机载荷的影响与来流风速大小存在交互调制现象;功率谱分析结果表明地表特征参数主要影响载荷谱的低频响应,其高频响应主要受风力机转频等动力学特性的影响。

脉冲爆震轴向载荷对双半内圈球轴承疲劳寿命的影响

针对脉冲爆震涡轮发动机(PDTE)中的周期性、强非定常轴向载荷可能导致滚珠轴承可靠性降低的问题,应用损伤力学理论和有限元法建立了PDTE中双半内圈球轴承的疲劳寿命预测模型,研究了在脉冲爆震燃烧室(PDC)引入的周期性、强非定常轴向载荷作用下双半内圈球轴承的疲劳寿命。研究结果表明,双半内圈球轴承的两个半内圈均在接触区次表面最大切应力位置处萌生裂纹,随后裂纹逐渐扩展至表面导致轴承疲劳失效。在PDC爆震阶段,由于引起第一半内圈疲劳损伤的切应力范围较小,因此第一半内圈的疲劳寿命较高;而在PDC填充和排放阶段,由于接触摩擦作用以及滚珠滚过第二半内圈时产生较大的切应力范围,从而导致第二半内圈的疲劳寿命较低。在对PDC爆震阶段引入的峰值轴向载荷进行合理设计后,PDTE中双半内圈球轴承的疲劳寿命主要由第二半内圈的接触状态和轴承的润滑条件决定。

基于CFD方法的直升机旋翼/尾桨非定常气动干扰计算

采用CFD方法针对直升机旋翼/尾桨气动干扰问题进行了数值计算研究.建立了一个适用于旋翼/尾桨干扰气动力计算的方法.在该方法中,控制方程采用三维非定常雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程,网格系统使用嵌套网格技术以计及旋翼和尾桨的相对运动.基于所建立的方法,分别计算研究了悬停状态、低速前飞状态以及巡航平飞状态时干扰状态的旋翼和尾桨气动力,并深入分析了尾桨旋转方向对干扰特性的影响.计算结果表明:旋翼对尾桨的气动干扰在各计算状态都存在,且干扰影响不总是负面的,这取决于飞行状态;而尾桨对旋翼的干扰作用则在悬停状态时较为明显,但在前飞状态时可忽略不计;尾桨旋转方向对尾桨气动力的影响较大,合理地选择尾桨的旋转方向可以改善其气动特性.

翼型绕流干涉噪声的实验与数值研究

来流湍流干扰噪声在风力机叶片气动总噪声级中占有重要地位.选取圆柱/翼型干涉模型从实验和数值两方面研究此类干涉发声现象.实验中通过对翼型表面非定常载荷的测量,重点研究了圆柱位置和翼型攻角的影响,选取的翼型包括两个NACA系列翼型(NACA0012和NACA0018)和两个风力机翼型(s809和s825),同时利用PIV(particle image velocimetry)技术对低攻角状态下翼型的前缘流场进行了研究.实验结果表明翼型表面非定常压力与圆柱涡脱落存在一定相关性.与此同时采用非定常Reynolds平均(URANS)方法对圆柱/NACA0012翼型的干涉流场进行了非定常数值模拟,并将得到的翼型表面压力频谱与实验结果进行了对比.

火箭发动机尾罩热分离流场的数值模拟

潜射导弹的发动机一般用尾罩加以保护以防止海水侵蚀,发动机点火后尾罩存在热分离过程,本文应用非定常数值模拟方法和动网格技术数值模拟了发动机尾喷管超声速流场的建立过程,分析了高温燃气与尾罩碰撞后反射流动对发动机防护罩的非定常载荷,计算结果表明本文计算方法可以用来数值研究广泛存在的气流瞬态冲击效应。

螺旋桨滑流对自转旋翼气动特性影响分析

前飞时,自转旋翼机的螺旋桨滑流穿过桨盘平面,会对旋翼产生非定常气动干扰。基于RANS(雷诺平均Navier-Stokes)方程,采用运动嵌套网格方法建立适用于自转旋翼-螺旋桨气动干扰流场的计算分析方法,并对模型进行模拟;分析低速情况下,孤立状态自转旋翼和组合状态自转旋翼非定常气动特性及流场特性,同时分析不同速度和螺旋桨位置对自转旋翼气动特性的影响。结果表明:螺旋桨滑流会影响自转旋翼在各个方位角的升阻力特性,并使得自转旋翼尾迹在0°方位角附近发生畸变;相同拉力下,来流速度越大旋翼后倾角越小,螺旋桨滑流对自转旋翼的影响越小;增大螺旋桨与自转旋翼的间距可以减弱螺旋桨滑流对自转旋翼的气动干扰。

非定常气动载荷作用下自适应后缘结构的振动响应计算

建立了一种自适应可变后缘结构的模型,并对变形过程进行了分解,得到了几种典型的构型变化状态。以偏转3°为例,计算得到了飞行过程中的非定常气动载荷,将气动载荷插值映射到结构有限元模型中,并与机构驱动载荷进行叠加,计算得到了自适应后缘结构在复杂载荷作用下的振动响应结果,可以为后续的结构设计和疲劳评估提供参考。

高速飞行器非定常分布载荷等效转换为集中载荷的研究

空天飞行器在大气中高速飞行时一般承受非定常分布载荷，而这些产品在地面振动考核试验中一般只能使用集中载荷激励。本文研究了非定常分布载荷等效转换为若干集中载荷的理论分析与计算方法。初步研究结果表明，基于模态响应等效原则下的载荷转换效果，其时域平均误差达到1．5dB，表明本研究可为空天产品的地面振动考核试验提供一种加载的参考方法。

主动射流控制对直升机着舰飞行的影响分析

为改善直升机舰面起降过程中起降安全性,基于单向耦合策略建立了一套适用于直升机/舰船动态界面(dynamic interface)研究的数值模拟方法,针对不同主动射流方案对侧风状态下直升机着舰过程中的影响进行了分析。首先,采用分离涡模拟(DES)方法获得不同射流方案下的艉流场数据,随后,将艉流场数据通过单向耦合的方式与直升机飞行动力学模型耦合,得到直升机在着舰过程受到的气动载荷与操纵量变化。从非定常载荷水平与操纵特性的角度,分析不同主动射流方案对舰船艉流场的非定常特征的影响。结果表明:射流装置安装在机库迎风侧水平边缘及垂直边缘均可以有效抑制直升机着舰过程中的非定常载荷水平。其中,垂直边缘射流方案能够实现舰艉流非定常特征与空间特征的解耦,保持直升机操纵余量不会降低;水平边缘射流方案则会增大艉流场侧洗分量,降低脚蹬操纵余量。而随着射流速度增加,垂直边缘射流方案控制效果会不断降低;水平边缘射流方案控制效果会先增高后降低。

海上风力机塔架在风波联合作用下的动力响应数值分析

分析海上风力机塔架复杂的外界载荷工况,研究海上风力机圆筒形塔架在随机风载荷和波浪载荷作用下的动力响应数值分析方法。研究作用在圆筒形塔架上的气动力特别是非定常气动力与雷诺数的关系;应用线性波理论来仿真非规则的海浪,分析作用在圆筒形塔架上的波浪载荷,通过坐标变换,将二维线性波理论扩展为三维线性波理论,相应地,将平面的莫里森(MORISON)波浪力系发展成空间力系,建立波浪力的分析计算模型,以适应三维空间的分析和计算;编制非规则线性波浪力分析程序。用有限元数值分析方法,将圆筒形塔架用空间梁单元建模,求解塔架在风波联合作用下的位移、速度、加速度以及应力响应等。针对一台1.5MW海上风力机塔架动力响应分析的算例表明:为整个海上风力机系统气动弹性分析、风力机塔架振动分析和疲劳寿命分析等提供实用的分析方法。