低速风洞模型自由飞试验飞行控制系统相似准则及模拟方法研究

低速风洞模型自由飞试验技术具有试验成本低、风险低、试验条件可控、试验数据精度高等优点,是支撑新型飞行器研制和新技术验证的重要试验技术。飞行控制系统作为风洞模型自由飞试验平台的核心系统,与原型机的系统相似是保证试验结果反映原型机稳定与控制特性的关键。从试验相似准则出发,针对飞行控制系统的相似要求进行分析和仿真,研究了其需要满足的相似关系及其模拟方法,分析了飞行控制律相似性转换的方法、系统采样频率的确定以及飞控系统部件动态特性对飞机响应的影响等问题,最后开展了试验验证,验证了飞行控制系统实现以及试验结果应用于原型机飞行稳定与控制响应特性预测的可行性,为低速风洞模型自由飞试验技术的发展与完善提供依据,为其工程化应用奠定基础。

一种低速风洞虚拟飞行试验装置的建模与仿真

为实现大角度范围、多自由度的机动动作模拟,研发一种低速风洞三自由度动态试验支撑机构,可模拟绕速度矢滚转机动动作以及失速偏离、尾旋等危险飞行状态。该机构通过两自由度转台和旋转曲杆的组合运动模拟飞机模型的三轴姿态变化。基于多体动力学理论,采用拉格朗日乘子法推导出该机构曲杆-飞机模型的动力学数学模型;模型中考虑了机构与试验模型的约束关系、机构摩擦力矩的影响。仿真结果表明:采用该支撑机构,飞机模型可在水平风洞中实现绕速度矢量滚转等典型机动动作;曲杆和试验模型的滚转运动基本同步;曲杆主要影响速率响应的动态过程,摩擦力矩对速率的动态过程和稳态值有一定影响。以上数学建模和仿真验证可为风洞试验提供理论依据。

高速风洞模型自由飞试验技术

风洞模型自由飞试验是介于普通风洞试验和飞行试验之间的一种特种风洞试验技术。本文对高速风洞模型自由飞试验技术的发展现状做了介绍,对风洞模型自由飞试验技术的共性特点,及其不同的子技术——普通模型自由飞试验、多体分离风洞自由飞试验及高速风洞投放模型试验——三种子技术之间的差异及各自所适用的应用领域进行了总结。其共性特点是:没有支撑干扰,能够实现模型在风洞中的自由飞行;能够实现对分离瞬间瞬态气动力的模拟;试验的重复性较普通风洞试验要差。三种子技术在共性特点基础上又具有不同的特点:其中普通风洞模型自由飞试验主要应用于飞行器动稳定性问题研究,多体分离风洞自由飞试验和高速风洞投放模型试验则是应用于飞行器各类多体分离问题,而由于试验技术的差异,使得多体分离风洞自由飞试验和高速风洞投放模型试验技术在具体的多体分离问题的应用范围上又有所不同。

基于T-S波谐频共振的超燃进气道边界层转捩

针对超燃冲压发动机进气道由于激波-边界层干扰引起的边界层分离以及进气道堵塞问题,提出了一种基于Tollmien-Schlichting(T-S)波谐频共振原理的进气道边界层控制方法,并通过一种典型的二元进气道风洞试验进行了方法验证.研究结果表明,提出的转捩控制方法能够较好地消除由激波-边界层干扰而引起的边界层分离现象,进而降低边界层分离对进气道性能的不良影响,确保进气道性能.同时说明,在超燃进气道设计过程中,需要充分考虑边界层转捩问题,引入有效的边界层转捩控制方法,以保证发动机的正常工作.

稳态雷暴冲击风风速剖面模型研究

雷暴冲击风是非台风地区形成极值风荷载的主要原因。采用静止型冲击射流装置和大涡模拟分别对雷暴冲击风风场进行了物理试验和数值模拟,考察了径向风速和竖向风速的分布特征。将大涡模拟结果和试验结果与现有实测数据和理论模型进行了对比,验证了试验和数值模拟结果的可靠性。针对现有的径向风速模型并不适用于所有径向位置处径向风速的问题,结合物理实验和大涡模拟的结果,提出了沿径向变化的径向风速剖面模型。同时,根据风场竖向风速的特点将其沿径向位置分为三个区域,给出了三个区域竖向风速剖面模型。

如何使用CFD来确定风洞实验模型的缩尺比例——风洞试验模型设计准则从感性到理性的飞跃

对上百年传统的风洞试验模型缩尺比例的确定方法,提出了疑问,并且从N-S方程出发,指出了这种“传统”方法不符合相似理论,具有很大的随意性和盲目性。因而按“传统”方法给出的模型尺寸所提供的风洞实验气动力数据是不准确的,不能满足当今世界现代战争精确打击的战术技术要求。因此,必须按文中提出的,满足N-S方程解的相似性要求去确定模型的尺寸,才是今后风洞实验模型设计的方向。从这一点出发,文中还提出了一些新的概念,并且扩展到如何应用CFD来作为风洞实验相似理论辅助研究的设想。

同一试样上的多级加载动弹模量和阻尼比试验

动弹模量和阻尼比是土动力分析中最重要的参数,利用动三轴仪器对重塑黏土进行试验,研究了一个试样改变试验围压、固结比进行多级试验的方法,考虑先期应力大小,提出了2种试验方法,并与常规方法进行比较。结果表明:方法 1得到的动弹模量、阻尼比与常规方法相差很小,但方法 2得到的动弹模量较常规方法大,采用方法1代替常规方法可有效节省试样数量;根据黏性元件理论分析了振动频率对动弹模量的影响,并通过试验得到了频率对黏土动力特性的影响,最后研究了一个试样进行多级频率试验的方法,得出先期较大频率动荷载对后期较小频率试验影响很小,但先期较小频率动荷载会影响后期较大频率的试验,引起动弹模量衰减,同时造成最大阻尼比减小;一个试样进行多级频率试验时,先进行大频率试验,后进行小频率试验,试验成果与常规试验一致。研究成果有利于提高土动力测试技术,对动力特性研究有积极作用。

抑涡格栅对宽幅分离式双箱梁涡振性能的影响研究

为研究抑涡格栅对分离式双箱梁涡振性能的抑制效果及格栅设计参数对其抑振效果的影响,以某大跨分离式双箱梁悬索桥为背景进行节段模型风洞试验,研究格栅透风率、格栅条宽度、格栅布置方式及设置位置对加劲梁涡振性能的影响,并采用计算流体力学(CFD)方法分析断面流场特性,揭示加劲梁产生涡振的原因及格栅的抑振机理。结果表明:设置格栅能有效抑制分离式双箱梁的涡振;分离式双箱梁的涡振振幅随格栅透风率的增加先增大后减小,33%~67%为最优透风率区间;格栅的抑振效果随格栅条宽度的增大而增强;格栅均匀布置比非均匀布置时抑振效果更好;在分离式双箱梁中央开槽上表面设置格栅比在下表面设置格栅抑振效果更优;产生涡振的气动力来源于下游侧箱梁处简谐变化的升力,设置格栅后上游侧箱梁产生的尾流旋涡会被格栅打碎,从而消除下游侧简谐变化的升力。