湍流度对低雷诺数翼型气动特性的影响研究

为研究湍流度对低雷诺数翼型气动特性的影响,采用经过风洞试验验证的基于γ--R--e-θt转捩模型的RANS数值模拟方法,针对典型低雷诺数翼型E387,选取不同雷诺数/湍流度状态开展了对比分析。研究结果表明,湍流度对翼型气动特性的影响十分显著且规律较为复杂。高湍流度可以在一定状态下使升阻比大幅提升,显著改善低雷诺数翼型的气动性能。失速前小迎角时通常受低雷诺数流动特有的层流分离泡结构影响,大迎角失速后主要受后缘分离影响,气动规律的复杂性与这两种主导因素受湍流度影响后的演化与转换密切相关。低雷诺数/高湍流度和高雷诺数/低湍流度的升阻特性与流场结构具有相似性,利用有效雷诺数方法可以对该相似性作定量分析。

低雷诺数翼型多点气动优化设计方法研究

高空长航时太阳能无人机通常采用低雷诺数翼型,并且其跨昼夜飞行状态不同。基于代理优化方法,结合经过风洞试验验证的基于■转捩模型的RANS数值模拟方法,提出了基于不同飞行状态功耗分配权重的低雷诺数翼型多点气动优化设计方法。针对典型低雷诺数翼型E387,开展考虑"夜间巡航-上午爬升-白天巡航-傍晚下滑"4种设计状态下的多点气动外形优化设计,结果表明,优化后的低雷诺数翼型功率因子在4个设计点分别提升7.84%、7.95%、11.34%和6.98%,提高了其跨昼夜飞行周期下的气动性能。

无人机变形机翼气动优化设计

多目标优化设计对飞机性能的折中已不能满足人们日益增长的需求,设计出性能更全面的飞机是未来飞机设计的必然发展趋势。针对某无人机机翼气动优化问题,本文开展了机翼表面形状、翼型以及后缘变弯的综合设计研究。采用计算机模拟技术(CST)对翼型参数化,结合指关节变弯结构特点确定了后缘变形方式,并采用Catia二次开发方法对根梢比、机翼面积以及后缘变弯进行参数化,基于ARI_XunZhu优化平台的代理优化算法对其进行优化设计,最终得到两组变弯机翼构型。结果表明,将变弯设计融入整个机翼设计流程中能获得性能较好的机翼构型,得到的两组机翼在不同CL下的升阻比性能均优于初始模型;两组机翼的性能存在交叉,分别适用于高、低升力工况;机翼后缘变弯存在一定的规律,随着升力系数的增大,下弯角度和下弯区域增大。

武器舱气动噪声主动流动控制技术风洞试验研究

针对飞机弹舱高强度气动噪声、内埋武器分离安全性等问题,以高速风洞动静态压力测量技术为研究手段,开展了基于脉冲射流激励器(Powered Resonance Tubes,PRTB)的武器舱气动噪声抑制技术试验研究。试验结果表明,试验模型具有典型的开式空腔流动特点,武器舱内部非定常流动引起的声载荷可达到150dB。PIV试验结果研究表明空腔前缘布置主动脉冲射流激励器对剪切层施加激励,会改变武器舱上部剪切层的流动特性,对这种高强度的声载荷起到一定的抑制作用。

三维高升力机翼水滴撞击特性数值模拟研究

基于分区多块结构网格体系,采用欧拉方法建立过冷水滴控制方程,通过有限体积方法对方程进行求解,发展了适合三维复杂外形飞机的水滴撞击特性计算方法和计算程序.通过二维单段翼型、多段翼型等算例对该方法的验证计算表明,在常规尺寸水滴算例中,水滴撞击特性计算结果与国外标准模型试验数据吻合良好.在此基础上,开展了三维高升力机翼水滴撞击特性数值模拟研究,分析表明计算结果可用于飞机防/除冰系统设计.

高速风洞摆动叶片式阵风发生器非定常流场数值模拟与试验验证

为降低2.4 m大型连续式跨声速风洞阵风发生器的研发风险,以中国航空工业空气动力研究院0.6 m连续式跨声速风洞为依托,设计加工了一套摆动叶片式阵风发生器模型。以此为研究对象,采用自研ENSMB流场计算软件进行了非定常流场数值模拟并进行了试验验证,分析了摆动叶片式阵风发生器下游阵风速度场形成机理及分布特性,重点开展了叶片摆动频率和最大摆动幅值等参数对叶片下游阵风速度幅值影响规律研究。结果表明:计算结果与试验结果吻合较好,叶片下游的阵风速度场是由叶片尾涡引起的,且随时间呈周期性正弦规律变化,阵风速度幅值沿叶片展向分布不均,存在较大波动;阵风速度幅值先随叶片最大摆动幅值的增大而增大,在叶片最大摆动幅值为10°时达到最大,之后无明显变化,这可能是由于摆动幅度增大后叶片失速所致;叶片摆动频率的变化仅影响叶片下游阵风速度频率,对阵风速度幅值的影响不明显。

基于分层策略的翼型多参量气动优化设计研究

与基于梯度的优化方法相比,遗传算法因其极强的鲁棒性、随机搜索及优化结果全局性等特点在工程优化中得到越来越广泛的应用。为提高优化设计的效率,改进了传统的遗传算法,采用并行分层策略基因遗传算法开展了翼型多参量气动优化设计研究,包括翼型和多段翼型的基因编码、外形参数化,以及动网格技术。结果表明,并行分层策略在得到较优气动优化结果的同时,极大地缩短了优化时间,提高了计算效率,具有广阔的工程应用前景。

宽速域高超声速气动热风洞理论与技术挑战

随着可重复使用高超声速巡航飞行器需求的增加,对气动热载荷的评估提出了更为苛刻的要求,需要宽速域高超声速气动热风洞同时具备低扰动、宽马赫数运行、复现总温、气体无污染以及长的有效运行时间等模拟能力。概述了宽速域脉冲型风洞发展现状,对比分析了以Ludwieg管风洞原理运行的优势及所面临的挑战,并针对“可实现性”“可用性”及“好用性”问题,提出了相应的解决措施。

高超声速飞行器后体推减阻高速风洞试验技术

针对高超声速飞行器组合喷管与后体的一体化性能测试的需求,发展了一种后体推减阻试验技术,研制了双波纹管天平系统和基于高精度数字阀的喷流质量流量控制系统,在FL-60风洞建立了由通气腹部支杆实现模型支撑及供气、内置单天平实现气动力及推力测量、双金属波纹管实现双路喷流独立模拟且不传力等组成的双发飞行器后体推减阻试验系统,实现了飞行器后体推减阻特性的测量,也可实现双发喷管推力特性测量。系统调试和风洞试验结果表明,试验系统运行稳定、可靠、质量流量测量精度优于0.3%;后体推减阻特性规律合理,重复性精度达到国军标常规测力合格指标;建立的试验系统可用于来流马赫数0.3~4.0、迎角0°、喷流总质量流量0~2.0kg/s的双发高超声速飞行器后体推减阻试验和带外流的推力特性试验;提出的试验技术可进一步发展为全机推减阻试验技术。

基于贝叶斯超参数优化的Gradient Boosting方法的导弹气动特性预测

在导弹设计与研发的初期阶段,需要寻求高效且低成本的导弹气动力特性的分析方法。然而,气动性能分析过程中往往存在试验成本高、周期长、局限性大等问题。因此,本文采用基于提升(Boosting)的机器学习集成算法进行导弹气动特性预测,通过输入导弹的气动外形参数、马赫数和迎角,对于导弹气动力系数实现快速预测。结果表明,Boosting能够对导弹气动力系数进行精准高效预测。为进一步提升预测精度,与传统的机器学习参数调整方法相比,采用贝叶斯优化方法对梯度提升(Gradient Boosting)算法超参数进行优化,调优后的Gradient Boosting方法预测的导弹气动力系数与实际值吻合度得到提升,并将贝叶斯优化的Gradient Boosting方法与XGBoost、LightGBM、Adaboost方法进行了对比,贝叶斯优化的Gradient Boosting方法预测精度优于其他Boosting方法,证明了优化方法的可行性与有效性。

高亚声速低雷诺数翼型气动优化设计研究

针对临近空间和火星飞行器的螺旋桨通常面临的高亚声速、低雷诺数的特殊气动问题,首先,结合经过验证的基于■转捩模型的RANS数值模拟方法,并基于代理模型建立了高亚声速、低雷诺数气动优化设计框架。然后,针对临近空间螺旋桨翼型,在设计工况点(Ma=0.77,Re=1×10^(5))开展了以改善升阻比为目标的气动优化设计。结果表明,优化翼型较原始低速翼型升阻比在设计点附近大幅提升,气动性能得到显著提高。研究结果可为临近空间和火星飞行器的气动设计提供技术支持。

一种高升阻比非常规翼身融合燕尾气动布局

未来高性能先进飞行器研发不仅对升阻比、最大升力系数等气动性能大幅提升提出了迫切需求,还面临更为严苛的总体/结构/隐身/飞控等各专业设计约束和要求。从飞行器平台总体顶层设计角度和工程应用背景出发,基于大有效容积隐身机身和高升力大展弦比隐身自然层流机翼,结合同时对机身/机翼、后体/燕尾进行几何和气动高效一体化融合等设计思想,开展了一种高升阻比非常规翼身融合燕尾气动布局设计优化与性能测试研究。CFD计算和风洞试验结果表明设计方案在马赫数0.194、雷诺数5.2×105工况下最大升阻比约31.2,气动性能较为优异,同时基本纵向/横航向气动特性以及燕尾舵效等可满足飞控需求;红外转捩测量试验结果显示其自由转捩位置与层流翼型/机翼气动计算结果符合较好;表面流动分离丝线试验结果显示燕尾受到机翼下洗影响较为显著,后续可进一步开展深入研究。

飞行器气动弹性风洞试验技术综述

研究气动弹性问题的主要手段有数值计算、风洞试验和飞行试验三种,气动弹性风洞试验具有可靠性高(相比数值计算)和代价低(相比飞行试验)等优势,已成为航空航天飞行器气动弹性性能评估和校核的重要手段。以亚声速和跨声速气动弹性风洞试验技术为主,分别从静气动弹性、颤振和阵风试验三个角度,阐述了国内外在模型设计、数据采集处理、模型支撑、阵风发生装置、阵风载荷减缓等方面开展的主要研究工作,总结了气动弹性风洞试验在飞行器研制中的重要意义,并对我国未来气动弹性试验能力的发展提出几点建议。

基于虚拟点的反应流Navier-Stokes特征边界条件及其应用

针对通风条件下大尺度加氢站事故模拟,从一维局部无黏特征分析出发,发展了使用虚拟点的三维反应流Navier-Stokes无反射特征边界条件,通过引入横向项和化学反应源项,有效消除了火焰面、亚声速流场与计算域边界相互作用时产生的非物理反射,实现了计算域边界处通风条件的无反射施加,提高了开放空间数值模拟的计算效率.通过开展51 m×51 m×10 m加氢站中长管拖车、加注机意外氢气泄漏扩散的数值模拟,给出了多种风况下可燃气云扩散结果,探究了通风条件及复杂环境对可燃气云发展规律的影响,对潜在危险区域进行了定量分析,并选取最危险氢气泄漏扩散结果开展高度非均匀气云爆炸的数值模拟,对不同设备处接收的超压和冲量进行了定量转化,完成了加氢站典型事故的风险评估.

旋翼流场计算嵌套网格并行装配方法改进研究

针对嵌套网格系统下进行旋翼流场计算时的网格装配问题,给出了一种改进的并行化网格装配模型。在该模型中,使用压缩存储的辅助结构网格进行并行"洞切割",生成插值边界;应用基于插值点坐标范围的局部可自适应辅助结构网格定位,缩小了处理器之间进行并行贡献单元搜索时的交互数据范围及生成辅助结构网格的内存消耗,结合局部范围的Neighbor to Neighbor(N2N)搜索重启和穷举方法,消除了网格分区、物面、外场等边界面对贡献单元搜索过程的影响,且方法对网格的拓扑没有限制,适合于结构、非结构、直角网格等网格块的装配过程。在流场计算方面,采用并行化的隐式双时间格式数值求解Navier-Stokes方程,用于旋翼数值模拟问题。理论分析和计算测试表明,在使用粗化的辅助网格时,改进的计算方法能够达到传统方法贡献单元搜索速度近似10倍,在低内存开销情况下降低网格装配过程对流场计算时间占比。在内迭代大于7次时,网格装配时间小于流场计算的1%。该方法是对旋翼多周期计算时反复网格装配过程的很好的效率改进。

带舵面垂尾跨声速颤振计算研究

基于自研软件平台UNSMB,采用CFD/CSD耦合的颤振时域分析方法,对某带舵面垂尾的风洞模型进行了跨声速颤振特性分析。研究了洞壁对颤振边界的影响,通过改变网格大小,设置不同的边界条件,对洞壁的模拟方法进行了对比研究,最终获得了与试验数据吻合很好的结果,表明洞壁对模型的颤振边界存在较大影响,同时表明UNSMB平台的跨声速颤振计算具有较高的精度。

不同前缘翼型气动和噪声特性对比研究

多段翼增升装置的噪声与其前缘缝翼有很大的关系,凹腔内存在的涡-涡干扰、剪切层/壁面冲击等非定常现象以及缝翼尾缘的涡脱落是影响增升装置噪声的主要原因之一。利用定常得到的稳定场采用宽频噪声源方法分析翼型周围噪声源强度,然后使用分离涡方法(DES)结合FW-H声类比方法研究前缘下垂和前缘缝翼模型在迎角变化时的气动与噪声特性,研究发现前缘采用下垂的形式在一定迎角范围内能获得较好的降噪效果,并且能够提升翼型的气动性能。

基于代理模型的自适应后缘翼型气动优化设计

针对具有自适应后缘的跨声速翼型,基于代理模型和遗传算法相结合的优化方法,开展考虑自适应后缘结构约束的翼型气动优化设计研究。结果表明,低升力系数下翼面流场没有明显的能量损失,不同设计升力系数得到的自适应后缘翼型阻力相差不大;高升力系数下翼面附近存在激波,翼型阻力主要由激波强度决定。对于以低升力系数为设计点的基本翼型,通过后缘自适应变弯来调整载荷分布,可以降低翼面激波强度,减小翼型阻力;对于以高升力系数为设计点的基本翼型,可以直接通过气动优化来消除翼面激波,使得翼型阻力达到最小。因此对于带有自适应后缘的翼型,为了实现宽升力系数范围内的阻力最小,应首先以高升力系数为设计点完成基本翼型的气动优化设计,然后以低升力系数为设计点完成自适应后缘外形的气动优化设计。

小展弦比飞翼标模FL-2风洞跨声速开孔壁干扰特性修正研究

为了满足现代风洞试验精细化要求,提高风洞试验数据精准度,开展跨声速开孔壁洞壁干扰修正方法研究。本文利用实测壁压信息构造开孔壁边界条件,通过求解N-S方程,模拟试验模型在风洞中的绕流场,建立基于壁压信息的跨声速洞壁干扰非线性修正方法。不同于线性修正方法,本方法可用于各种复杂外形飞行器的亚、跨声速开孔壁洞壁干扰修正,结合小展弦比飞翼标模风洞试验数据,对其在FL-2风洞试验数据开展洞壁干扰特性研究。洞壁干扰修正结果表明,洞壁干扰量随马赫数变化呈增长趋势,Ma=1.0左右达最大,经过修正的FL-2风洞的跨声速试验结果,与FL-26风洞近似无干扰试验结果吻合良好。

基于边界层燃烧方法的宽速域飞行器内流道减阻研究

为了降低宽速域飞行器的内流阻力,基于边界层燃烧方法,分析了系列进口马赫数条件下二维扩散段总阻力中摩阻和压阻的特性,研究了不同进口马赫数下摩阻和压阻分量对总减阻的贡献、燃烧影响区域和壁面热流密度,探讨了喷射参数对减阻效果的影响,探索了边界层燃烧方法在典型混压式进气道中的减阻应用。结果表明,随着进口马赫数的增加,总阻力中摩阻分量随之增加;边界层燃烧对摩阻和压阻减阻的机理有所不同,壁面附近流场特性变化使得摩擦系数减小,燃烧局部增压对壁面产生的增推效果使得压力系数减小;从总内阻减阻百分比看,在相同燃料/空气当量比下,低马赫数工况下边界层燃烧减阻效果不如高马赫数工况,且在低马赫数工况下,喷嘴附近壁面热流密度会显著增加;在本文所研究的参数范围内,摩阻和压阻对当量油气比更为敏感,而对喷射方向和喷射速度不敏感。