压力敏感涂料测量技术在掠型叶栅表面测压中的应用

为了获得某掠型叶片吸力面压力分布,对一稠度为1.53,掠角为10.7°的掠叶栅进行了光路布局以及压力敏感涂料(PSP)压力测量,利用图像处理和三维重构算法得到了可读性高、便于数据提取的三维叶片吸力面压力分布,并和测压孔测量结果进行了对比。结果表明:利用自主发展的光路布局方法,有效解决了叶片表面光照辐照度不均匀、拍摄视角受限的问题;得到了高信噪比的原始压敏图像以及宽范围多工况的掠叶栅吸力面全域压力分布。与测压孔测量相比,PSP测量误差在5%以内,并且PSP测量结果还捕捉到了峰值等熵马赫数位置沿弦向的迁移以及叶片尾缘的气流分离现象。对不同攻角和来流马赫数下的掠型叶片吸力面压力分布进行分析:掠型叶片在零攻角和正攻角下存在明显的径向压力梯度,促使后掠型叶片气流向前掠迁移,增加了前掠下流低能流体的能量,使得前掠更有利于延迟角区分离,后掠则更容易发生角区分离;掠型叶片在低来流马赫数下展向压力对称性良好,掠设计的影响不显著,高来流马赫数则放大了前后掠对角区分离控制效果的不同。相比传统测压孔有限的压力分辨率,PSP测量可为掠型叶片设计和流动机理分析提供丰富可靠的压力实验数据。

不同条件下平面叶栅风洞流场品质的实验研究

为了全面认识亚声速平面叶栅风洞的流场品质及其影响因素,以典型高亚声速平面叶栅风洞为研究对象,试验测量并分析了空风洞的来流品质以及安装叶栅试验件后来流马赫数、来流攻角、以及叶片数对叶栅进口准确性、均匀性以及出口周期性的影响。研究结果表明:空风洞内主流区域宽广且基本均匀,来流马赫数偏差不超过±0.005,来流气流角偏差不超过±1°;加装叶栅试验件后叶栅风洞周向流场分布表现出不对称,靠近可移动上侧壁的三个通道的来流均匀性和准确性普遍较差,叶栅中间和偏向可移动下侧壁的通道进口均匀性和准确性较好;来流攻角对叶栅进口流场品质的影响比马赫数更明显,在负攻角和较小的正攻角下,叶栅进口流场品质较好;在较大的正攻角下,叶栅进口均匀性和准确性明显下降;叶栅进口均匀性直接影响了通道内以及叶栅出口的周期性。

温度敏感涂料校准误差实验研究

温度敏感涂料(Temperature Sensitive Paint, TSP)技术是一种极具潜力的光学测温技术,但其测量精度受到多源误差的影响。校准实验是TSP特性研究和风洞实验的关键而独立的阶段,其误差需要单独考虑。分析并明确了校准实验中的主要误差源,建立了各个误差因素不确定度评估方案。重点分析了校准数据拟合中的误差传递规律,提出了基于误差传播方程的TSP校准误差计算方法。误差源不确定度评估结果表明,通过控制校准实验中相机的工作范围和图像帧平均数量可以有效降低校准误差,进而可为TSP校准实验流程的精细化提供指导。TSP特性曲线误差计算结果表明,TSP校准误差在测温范围内呈现凹形分布,其引起的最大测温误差小于0.4 K;结果可直接用作风洞实验中校准误差的给定依据。

NPU-WA系列风力机翼型设计与风洞实验

针对兆瓦级大型风力机,研究发展了以具有更优良高雷诺数和高升力气动性能为特点的NPU-WA翼型族,风洞实验表明,该翼型族达到了在高雷诺数、高升力条件下实现高升阻比和外侧翼型对粗糙度不敏感的主要设计要求,为我国自主研发大型风力机提供了可以实际使用的翼型几何数据和雷诺数范围内1.0×106～5.0×106的风洞实验数据。

高亚声速下附面层抽吸控制压气机叶栅流动分离的研究

为研究高亚声速下附面层抽吸参数对流动分离控制的效果和机理,以高负荷扩压叶栅为研究对象,通过数值方法研究了抽吸布局和抽吸流量对叶栅内部流动分离控制效果的影响。结果表明,附面层抽吸能够显著改善叶栅内部流动,降低因附面层分离和端区角区分离、相互掺混造成的流动损失;高亚声速下附面层抽吸的最佳位置在附面层充分发展区域而非分离起始点附近;1.32%抽吸流量下,在叶片吸力面距离尾缘34%弦长处进行附面层抽吸的效果最佳,叶栅总损失降低54.03%;各抽吸槽因抽吸强度的降低使组合抽吸对于进一步改善流动效果并不明显;抽吸流量与抽吸效果呈正相关的关系,但是高亚声速下通过附面层抽吸无法完全消除高负荷叶栅内部角区分离。

高负荷扩压叶栅吹风试验流场二维性控制技术研究

平面叶栅风洞侧壁附面层引起流道收缩,破坏叶栅流场二维性,扩压叶栅逆压梯度会加剧收缩,且随负荷增加越发显著。针对某高负荷扩压叶栅,研究了影响叶栅吹风试验二维性的因素及不同轴向位置端壁抽吸的改善效果并探索了分布式抽吸。结果表明:常规试验叶栅端壁附面层发展会挤压主流,使其加速,扩压性下降,造成流场失真,总压损失偏差最小达23%。前部、中部抽吸可整体控制叶栅二维性,但展向二维区较窄;尾部抽吸出口展向二维区较宽,但仅局部改善近尾缘处二维性。前部抽吸在全攻角下控制良好,中部抽吸的负攻角特性较好,尾部抽吸流量则随攻角呈线性变化。分布式抽吸能整体控制二维性同时拓宽展向二维区,值得探索与应用。

基于抽吸的亚声速平面叶栅风洞流场品质控制研究

为提升平面叶栅风洞流场品质,获取高质量、低不确定性的试验结果,设计了位于试验段上侧壁不同位置处的两种抽吸方案,采用数值模拟方法研究了抽吸槽位置以及抽吸流量对平面叶栅风洞流场品质的控制效果。研究结果表明:在试验段上侧壁进行抽吸能够提升靠近上侧壁的三个叶栅通道的均匀性和周期性,使进口马赫数偏差<0.01,进气角偏差<0.5°;在可移动上侧壁和叶栅首叶片之间进行抽吸(Cavity A)对叶栅进口均匀性提升较大,但对出口周期性提升很小;在叶栅首叶片吸力面中后部进行抽吸(Cavity B)能够同时提升进口均匀性和出口周期性;Cavity A抽吸方案比Cavity B具有更好的工程应用性,但临界抽吸流量增加了两倍。

亚声速压气机平面叶栅及其改型的吹风试验

为了对比某压气机原始叶型及其改型后的短弦叶型的气动性能,基于某高亚声速叶栅风洞对原型和改型叶型开展了平面叶栅吹风试验。试验前对不带叶栅和带叶栅试验件下试验段进口均匀性和出口周期性进行检查,确定满足试验要求的测量通道。通过吹风试验测量并分析原型叶栅和改型叶栅的出口总压、出口气流角以及叶片表面等熵马赫数分布。结果表明:相对于原始叶型,弦长缩短后叶型吸力面型线曲率变化增大,峰值马赫数后的气流逆压梯度较大,因此附面层内的气流分离损失更大;设计马赫数0.6时,短弦叶栅的低损失攻角范围比原型叶栅减小了约3°,改型叶栅和原型叶栅均表现出较好的负攻角特性;设计攻角下(i=0°),进口马赫数从0.4增大至0.7时,两套叶栅出口尾迹的深度逐渐增大,但尾迹宽度基本不变;达到或者超过临界马赫数0.8之后,原型和改型叶栅的尾迹宽度和深度均显著增大。

变来流下翼型动态失速的协同射流控制数值模拟

针对直升机前飞时旋翼在变来流下出现动态失速的问题,发展了基于协同射流的翼型动态失速控制方法。选取NACA0012翼型为研究对象,基于转捩SST湍流模型求解非定常雷诺平均Navier-Stokes方程,开展不同参数下协同射流控制翼型动态失速的数值模拟。研究结果表明,协同射流能够有效抑制变来流条件下的翼型动态失速。在变来流下,射流流道对翼型原始气动特性产生不利影响,功率系数的增长速度快于射流动量系数的增加,协同射流存在具有较好控制效果的最佳工作区间。协同射流通过与主流掺混来加速涡系演化,以抑制动态失速,通过增强弦向气流的动能以克服逆压梯度,从而抑制流动分离和促进流动再附着。在马赫数0.283、减缩频率0.151、前进比0.25的条件下,协同射流使翼型升力提高、阻力下降、负俯仰力矩峰降低、流动再附着提前,翼型气动特性得到明显改善。

扭转度误差对跨声速压气机叶片性能的影响

在压气机叶片加工过程中,受切削力等因素影响扭转变形不可避免。为探究扭转度误差对叶片气动性能的影响,将实测某压气机叶片扭转度误差数据应用于Rotor 37转子,创建误差叶片,通过数值模拟获得其设计转速下的性能参数。结果表明:相较于原叶片,“欠偏转”叶片特性曲线整体向小流量工况移动,反之,“过偏转”叶片特性曲线则向大流量工况移动,且各方案对应误差叶片的气动性能均合格;在设计工况下,随扭转度误差变化,总压比较等熵效率变化更显著,其中“欠偏转”叶片总压比减小,最大变化量为0.85%;此外,相较于原叶片,“欠偏转”叶片稳定工作裕度增大,其最大变化量可达12.29%,同时,“欠偏转”叶片通道激波延后,流动损失减小,且叶顶低速区范围减小,即在公差范围内,负扭转度误差对气流流动状态具有一定改善作用。

仿生覆羽控制固定翼无人机流动失速风洞实验

研究了基于鸟类仿生学设计的人工柔性锯齿形覆羽在平直机翼大攻角失速流动控制中的作用。实验在天津大学低速回流式低湍流度风洞中进行,以展长1.0 m、弦长300 mm的NACA0018平直机翼模型在15°攻角条件下产生的失速流动作为研究对象,基于弦长的雷诺数为Re=5.1×10^(5)。实验中,将柔性覆羽沿展向分别安装在机翼上翼面的不同位置处,利用单丝热线风速仪扫掠测量机翼尾流的速度信号,并与无控制工况的平均速度、脉动速度、功率谱密度等对比。实验结果显示:在20%c位置工况中,柔性覆羽装置吸收来流中的能量,随上翼面流动自适应振动;在80%c位置工况中,柔性覆羽处于准平衡位置,并伴随微小振动。两种工况的尾流区平均速度亏损恢复明显,同时前缘剪切层和尾缘剪切层中的湍流脉动均明显降低,两种工况均实现了流动失速的有效控制。进一步的功率谱密度和离散小波分析显示,柔性覆羽的自适应振动能有效地抑制剪切层中低频、大尺度结构(fc/U∞<1),并将其转化为高频、小尺度结构(fc/U∞≈3),增强了前缘剪切层和尾缘剪切层的相干性。该研究结论揭示了类鸟类柔性覆羽在平直机翼大攻角失速流动控制中的作用机理。

仿生学覆羽厚度对机翼失速控制效果的实验研究

受鸟类翼面覆羽结构特点的启发,在前期仿生流动控制工作基础上,本文设计了不同厚度的柔性锯齿型人工覆羽,将其分别安装于NACA0018平直机翼上翼面不同弦长位置,通过实验考察大迎角条件下流动分离控制效果。实验在天津大学低湍流度风洞进行,采用坐标架对机翼尾流区进行扫掠测量,使用热线风速仪获取尾流区的平均速度和脉动速度信息,并使用高速相机拍摄人工覆羽的运动情况。通过平均速度分布、脉动速度均方根曲线、功率谱密度、小波能谱和小波等值云图等对不同厚度覆羽的流动分离控制效果进行对比分析。实验结果表明,对于小厚度覆羽:安装在机翼前缘附近时,能有效减小前缘剪切层和机翼上表面之间的距离,这是由于覆羽自适应振动促进了低频大尺度相干结构向高频小尺度相干结构的转化;安装在机翼尾缘附近时,机翼周围流场无明显变化。相反,对于大厚度覆羽,覆羽阻碍分离回流区沿机翼表面向前缘发展,在靠近机翼尾缘时,流动分离控制效果较好。此外,本文还结合粒子图像测速技术绘制了覆羽的运动情况和周围流场流动示意图,验证了不同工况下人工覆羽的流动分离控制效果,对比分析了不同厚度覆羽实现流动分离控制的机理。

无参数自适应罚函数的高效代理模型优化设计方法

在飞行器气动外形优化设计中,复杂约束条件导致设计空间可行域呈现不连续的特征,且理想解大多靠近约束边界,传统高效代理模型方法难以适用。研究了参考点对优化设计的影响,提出了一种考虑约束的参考点选择机制;对于最优解靠近边界的问题,罚函数法更加有效,但惩罚因子的设置对于罚函数方法影响很大,不合适的惩罚因子反而会损害优化效率,分析了优化过程中罚函数方法对惩罚因子的要求,提出了一种无参数自适应罚函数的代理模优化设计方法,引入基于样本分析的惩罚项,结合归一化目标值和约束值,在优化过程中动态调整惩罚因子,使优化能够尽可能地聚焦于可行域内,迅速收敛到最优解,实现样本的高效配置。通过带约束的函数算例和翼型优化算例证实,所提方法可以大幅提高飞行器气动外形优化设计效率。

翼型研究的历史、现状与未来发展

“翼型”俗称翼剖面或叶剖面,是飞机机翼及尾翼、导弹翼/舵面、直升机旋翼、螺旋桨、风力机叶片等外形设计的基本元素和气动力的“基因”,也是影响综合气动性能的核心因素之一。自20世纪初莱特兄弟发明人类第一架飞机以来,翼型研究的每一次重要突破,都有力促进了航空飞行器的更新换代或性能的大幅提升。除了发展RAE、DVL、NACA、TsAGI等通用翼型族外,研究者们还针对性地发展了适用于各类飞机的翼型族,以及适用于直升机旋翼、螺旋桨和风力机叶片的专用翼型族。进入21世纪,随着现代数值模拟方法、流动稳定性与转捩预测、优化设计、试验测试技术等研究的进步,各种新的设计理念、优化方法和设计技术相继被提出,翼型研究也被赋予了新的使命和内容。本文立足飞行器设计和翼型研究的前沿,在回顾100多年来翼型发展历程的基础上,重点综述了翼型研究的最新进展,分析了研究现状,提出了未来发展方向。新一代翼型将适用于未来飞行器的发展需求,在宽速域、大空域、多物理场及智能变体等复杂使用条件下兼具优良的多学科综合性能。

基于响应面方法的风力机叶片多目标优化设计研究

运用基于响应面方法的优化设计技术,于径向使用NPU-WA-风力机专用翼型族的某1.5MW水平轴风力机叶片的多目标、多约束优化设计研究中。风力机气动性能使用基于叶素-动量理论的风力机性能分析和设计软件PROPID51。设计变量为叶片径向外形参数,包括弦长和扭转角分布,但是相对厚度保持不变;设计目标为年发电量和功率系数的最大化;在多目标优化中,使用"统一目标函数"法将多个设计目标函数通过加权求和统一到一个目标函数中。为减小计算量,响应面模型使用不含二阶交叉项的二阶多项式模型;构建模型中试验点的选择满足D-优化准则。以某1.5MW变速变矩型风力机叶片为例,进行了优化设计研究。叶片径向使用西北工业大学翼型研究中心设计的NPU-WA-风力机专用翼型族,使用CFD计算的气动性能数据作为输入进行了设计,分析了目标函数的权值分配对设计结果的影响;使用风洞测量自由转捩的气动性能数据进行了设计并分析了表面光滑条件对气动性能的影响。

高升阻比自然层流翼型多点/多目标优化设计

研究并发展了一套进行高升阻比自然层流翼型多设计点/多设计目标的优化设计方法。为减少设计中的计算量,使用了XFOIL程序进行流场计算。使用基于响应面方法的优化方法进行最优化计算,并使用了不含二阶交叉项的二阶多项式模型作为响应面模型,大大减少了构造模型所需的试验次数,使进行更多设计变量和多点设计成为可能。试验点的选择满足D-优化准则。研究了设计点及目标函数的选择,进行了单点/单目标及多点/多目标的设计,结果表明:多点/多目标设计可以很好的改善单点设计中非设计点性能变差的缺点,设计结果有工程实用价值。

基于响应面法的低速翼型气动优化设计

响应面方法相较于其它直接优化方法有其高效、实用的优势,此前的研究更多地将响应面方法用于超音速和跨音速翼型的减阻优化设计中。本文将此方法应用于低速翼型优化设计中,进行了基于RANS(Reynolds-Aver-aged Navier-Stokes)方程和自由转捩预测耦合求解的低速翼型气动优化设计。通过计算附面层方程得到附面层参数并用en方法计算转捩位置,并考虑了T-S波和层流分离造成的转捩。RANS方程计算中,使用了转捩过渡区模型,以保证附面层外边界压力分布的精度。RANS方程和转捩预测迭代进行至转捩位置收敛。在响应面模型计算中,使用不含二阶交叉项的二阶多项式模型,减少了构造模型所需的计算量;合理的选择设计空间保证了构造的响应面模型具有较高的精度。使用三个设计点的多目标优化设计,保证了设计的合理性。通过对NACA64(1)-112翼型优化计算结果表明,本文的方法可以有效地进行低速翼型的气动优化,各设计点上转捩位置也得到了改善,有较好的工程实用前景。

面向高超声速飞行器的宽速域翼型优化设计

宽速域气动设计是水平起降高超声速飞行器研制的瓶颈问题之一。水平起降高超声速飞行器在飞行过程中需要经历亚、跨、超和高超声速多个速域,而适应不同速域的最佳气动外形相互矛盾,使得实现良好的宽速域气动设计面临极大挑战。首先,针对高超声速飞行器宽速域翼型气动设计问题,发展了基于代理模型的高效全局气动优化设计方法,并设计出一种相对厚度为4%、有一定弯度、下表面具有双“S”形特征的宽速域翼型。将新翼型与常规四边形和双弧形翼型进行了气动特性对比,并进行了流动机理分析,结果表明新翼型的宽速域综合气动特性显著优于常规翼型,从而证明发展兼顾亚、跨、超和高超声速气动性能的宽速域翼型是可行的。其次,开展了宽速域翼型的多目标优化设计,通过分析Pareto解集中翼型的宽速域气动性能随几何外形变化的演化规律,进一步解释了有一定弯度、下表面呈双“S”形的薄翼型能够协调亚、跨、超声速与高超声速气动性能的原理。最后,采用平面外形为梯形的机翼,进行了三维机翼构型下的宽速域翼型多目标优化设计。三维优化设计结果与二维结果具有相似的几何特征和压力分布,说明这种通过下表面双“S”形小弯度薄翼型来兼顾亚、跨、超和高超声速气动性能的宽速域流动机理同样适用于三维情况,也证实了翼型设计对于宽速域高超声速飞行器仍然具有重要意义。

真实运行状态下叶顶间隙尺寸波动对跨声速转子气动性能的影响研究

为分析跨声速转子实时波动的叶顶间隙尺寸对气动性能的影响,对跨声速压气机转子真实运行状态下一个稳定工况实时波动的叶顶间隙数据进行统计分析,获得了叶顶间隙尺寸的总体水平、波动幅值和概率分布形式。以跨声速压气机转子NASA Rotor 37为研究对象,采用非嵌入式混沌多项式不确定性量化方法,对100%转速下近失速和峰值效率两个工况施加相同叶顶间隙波动对跨声速转子气动性能的影响进行了不确定性量化分析。结果表明,真实运行状态下叶顶间隙波动对气动性能的总体水平无影响,但会缩小喘振裕度3.75%;近失速工况对叶顶间隙波动更为敏感,各参数的相对波动幅值均较峰值效率工况有所增大,等熵效率受叶顶间隙波动的影响比质量流量和总压比大;近失速工况下叶顶间隙波动在叶高方向上的影响范围和强度均大于峰值效率工况,98%叶高位置处静压系数和总压损失系数最大相对波动幅值分别可达14.84%和5%。峰值效率工况下流场中的不确定性主要由叶顶泄漏流及其与激波相互作用引起;而近失速工况下流场当中的不确定性则是由激波和吸力面分离流动起主要作用。

水平轴风力机翼型大攻角气动性能计算研究

耦合RANS和基于线性稳定性分析的eN转捩预测方法,进行风力机翼型的大攻角气动性能计算,以期提供风力机叶片分析/设计中使用翼型的更为准确和完备的气动性能数据。以风力机翼型S809为例,计算了翼型表面从出现分离气泡到大面积分离的情形,并比较了S-A和B-L两种湍流模型对计算结果的影响。通过对已有经典风力机翼型DU97-W-300和新设计风力机翼型WA21ak5在-180°～180°攻角范围内的气动计算,对计算结果和实验结果以及国外风力机叶片分析/设计中使用的基于Viterna方法由有限攻角范围的气动性能外推到-180°～180°的结果进行比较。结果表明,RANS方程计算气动性能和实验结果吻合较好,为建立风力机翼型气动性能数据库提供了基础。