翼型风洞实验侧壁附面层控制技术研究

文中介绍了NF-3风洞二元实验段侧壁边界层吹除控制系统及实验方法,以GAW-1翼型为例,给出了不同吹气系数对风洞边界层的控制效果,研究了附面层吹除法对单段翼型和多段翼型实验结果的影响规律。结果表明,该控制系统能有效地改善翼型表面的流动特性。

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。

应用离散型协同射流的翼型增升减阻研究

连续型和离散型协同射流是一种新型的翼型近壁面流动控制技术,相比之下,离散型能够更为高效地对流动进行控制。为探究离散型协同射流能耗更低、效率更高的原因,通过数值模拟方法重点研究了施加离散型协同射流的翼型流动控制效应与规律。计算结果表明在相同喷口动量系数下,与连续型相比,离散型最大升力系数提高9.2%,阻力极大减小;消耗相同功率时,离散型减阻效果明显高于连续型,零度迎角时阻力约小35%,翼型升阻特性提升更加显著。对流场的详细分析表明,离散型协同射流同时在流向和展向产生相干涡结构,使高速度的射流与主流以及边界层充分混合,因此离散型协同射流具有更好的翼型增升减阻效果和更高的能量利用率。

水平轴风力机翼型设计与动态失速数值模拟

利用XFOIL软件对水平轴风力机叶片的参考翼型进行了改进设计,通过数值模拟的方法评估获得:所设计的翼型优于参考翼型,满足设计要求;由于风力机叶片在动态失速时的特性较为复杂,该文针对某一个设计翼型进行了动态失速的数值模拟,使用FLUENT软件编写用户函数,获得漩涡产生、发展和脱落规律,比较翼型在动态和稳态的升力和阻力特性,并提出了考虑失速效果的风轮气动设计和性能改进的意见。

后掠翼边界层横流不稳定性的实验研究(英文)

在西北工业大学的低湍流度风洞中,采用升华法研究有无粗糙带情况下,45°后掠翼三维边界层内的横流驻波不稳定性及其转捩模式。在未引入人工粗糙带,雷诺数为5.50×105~1.65×106范围内,模型的转捩分界始终为位于最小压力点之后的一条直线,转捩由T-S波触发。当Re≥1.38×106时,对应最不稳定横流驻波的3.5~4.0mm条纹出现在转捩的上游区域,条纹间距与线化稳定性理论的结果吻合。当Re=1.65×106时,实验证实了横流驻波扰动对前缘粗糙度的极度敏感。考虑到抑制最不稳定横流驻波就很有可能抑制后掠翼飞行器上由其主导的转捩,在机翼前缘布置不同间距的粗糙带,研究其对边界层内横流驻波的影响。当Re=1.38×106时,2.5mm间距的粗糙带有效的抑制了3.5~4.0mm最不稳定驻波,该现象为后掠翼上的转捩控制技术提供了一条新思路。此外,当6.0mm、7.0mm和8.0mm的粗糙带被引入时,条纹间隔表现为3.0mm、3.5mm和4.0mm的谐波波长。

用动态压力测量方法进行双垂尾飞机抖振实验研究

运用动态压力测量的方法对双垂尾飞机进了抖振实验研究,并与翼根弯距法测量的结果进行了对比。结果表明,在双垂尾飞机抖振研究中使用动态压力测量的方法可以得到更准确的测量结果和动态特性。

等离子体激励翼型分离流动控制数值模拟

文章利用CFD软件FLUENT中的自定义函数接口,将等离子体对中性气体的激励作用模型化为体积力引入Navier-Stokes方程,研究了等离子体气动激励诱导的平板射流,以及介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)等离子体激励对NACA0015翼型大迎角分离流的控制作用.计算分析表明,多对电极等离子体激励器可以有效控制NACA0015翼型大迎角分离流动.

基于离散协同射流的翼型增升减阻方法

协同射流是一种近壁面流动的高效、低能耗主动控制技术。重点开展了一种应用离散协同射流的二维翼型增升减阻效应的数值模拟研究,分析了离散协同射流的堵塞度和喷口密集度等关键参数对流场结构、气动特性、功率消耗及能量利用率的影响效应与作用规律。在施加离散协同射流措施后,能够使翼型近壁面空间流场更有效地产生较强的相干涡结构,使得射流与主流及边界层充分混合,可显著提高同等迎角下的升力系数、明显减小阻力系数,最大升力系数提高近150%,失速攻角推迟约5°。研究表明:离散协同射流是一种显著提高翼型性能的高效流动控制方法。

实验中实现“无限展长后掠翼”流场的方法研究

在风洞实验中,为了获得一个近似无限展长后掠翼的三维流场实验条件,必须采用特殊的整流措施,修正洞壁对流场的干扰。对于小展弦比模型的实验,可以通过在两侧洞壁附加衬垫来修正洞壁干扰。本文基于CFD技术,研究了采用无限展长后掠翼空间流线拟合的方法设计洞壁衬垫。数值模拟结果表明,采用流线拟合设计的衬垫能够有效地修正风洞侧壁对流场展向分布的影响,得到近似无限展长后掠翼的流场。

跨声速翼型风洞开孔壁的简化模型数值模拟

以开孔壁翼型风洞为研究对象,构建简化的仿真模型,模拟开风洞孔壁附近及小孔内的流动,研究开孔壁对风洞试验的影响。研究了开孔壁流动的主要特征参数并建立多孔板模型,为进一步建立数值风洞模型及研究洞壁干扰提供参考。通过简化的孔壁模型,研究了开闭比等特征参数对风洞流场和翼型绕流的影响。构建了二维简化孔壁模型和多孔介质孔壁模型,并验证了以多孔板模型模拟孔壁风洞流场的可行性。本文建立了一种研究跨声速孔壁风洞的孔壁效应的数值方法,为跨声速孔壁风洞流场的模拟研究提供参考,为进一步构建可靠的风洞孔壁数值模拟数学模型提供一种研究思路。

一种实用的风力机叶片气动设计方法研究

提出了水平轴风力机叶片的优化设计模型,该模型以风轮平均年能量输出最大为设计目标,并将风速的概率分布考虑进来。为了获得较好的优化结果,首先采用PROPID程序对叶片进行反设计,获得较好性能的叶片几何,在此基础上,运用遗传算法进行搜索寻优,这样不仅减小了搜索的范围,也降低了搜索的时间。对叶片面积附加约束,以获得符合实际的叶片,采用5阶贝塞尔函数在设计点之间进行插值,以获得光滑的几何外形。利用该方法优化设计了600kW风力机叶片。与已有叶片相比,优化结果显示了明显的优越性,验证了该优化方法的有效性和实用性。

一种旋翼翼型多点多约束气动优化设计策略

充分考虑伴随方法的梯度求解的准确性、CFD计算量小等显著优点,研究了引入基于伴随方法的梯度信息的响应面模型构造问题,发展了基于梯度信息改进的响应面方法,提高了多设计变量适应性及优化效率;针对悬停/前飞/机动状态下的旋翼翼型升阻比、阻力发散马赫数、最大升力等气动特性精确分析需求,分别提出了对应的合理气动计算策略;为有效适应旋翼翼型复杂气动设计问题,发展了基于伴随方法与响应面法有效结合、针对悬停/前飞/机动状态对应气动计算策略的一种较实用高效的旋翼翼型气动优化设计策略,提高了计算精度、鲁棒性与优化效率,进行了典型OA309旋翼翼型算例验证,优化后旋翼翼型与原OA309翼型相比,综合性能有较好改善,研究表明,所发展的气动设计策略是有效、可行的。

随机梯度遗传算法在翼型优化设计中的运用研究

针对标准遗传算法在优化搜索过程中,局部搜索能力较低的弱点,利用将遗传算法与实时扰动随机逼近方法(SPSA算法)为基础的随机梯度算法相结合而产生的随机梯度遗传算法建立了可用于气动外形优化设计的设计方法。并运用此算法开展了有关翼型的气动优化研究。相关结果表明,将随机梯度遗传算法用于气动外形优化设计,不仅可以提高优化效率,同时由于增强了局部搜索能力,因此,在有限的搜索条件下,可以提高优化设计结果的质量。

大迎角分离流场在等离子体控制下的特性研究

设计了一种新型的大迎角主动流动控制方法。采用圆锥-圆柱组合体模拟飞行器前体,在靠近圆锥尖端处镶嵌了一对马蹄形单电极介质阻挡放电(Single-Dielectric Barrier Discharge SDBD)等离子体激励器,通过风洞实验研究了等离子体激励器在不同状态下对大迎角模型前体的非对称气动载荷的控制作用。实验结果表明,通过控制等离子体激励器的开闭可以使得圆锥-圆柱组合体在大迎角下出现的侧力改变方向。还对通过调节单侧等离子体激励器的激励电压实现圆锥前体侧力系数在正负极值间连续变化的可能性进行了初步的实验探索。

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.

比较Wilson法和复合形优化法气动设计水平轴风轮

文章分别使用Wilson法和复合形优化法对水平轴风力机风轮进行了气动设计,对比德国XWEC-JACOBS600kw产品,前者设计的叶片弦长偏大,后者叶片尺寸与产品较吻合。为验证所设计的风轮性能,使用FLUENT软件进行了数值模拟,结果表明,Wilson法和复合形优化法设计的风轮功率误差分别为12.3和4.6,后者设计精度更高。

等离子体控制下前体分离涡的研究

在圆锥-圆柱组合体模型半顶角为10°的圆锥前体尖端附近布置介质阻挡放电等离子体激励器,采用正弦波高压电源进行等离子体定常开/关激励。实验在3.0m×1.6m的直流式风洞中进行,迎角固定在45°,基于圆锥前体底面直径的实验雷诺数为5×10-4。对模型表面周向压力分布进行了测量,同时对测压截面处的空间涡流场进行了粒子图像测速。通过对截面压力分布和空间流场的PIV结果的分析,给出了侧向力、涡核中心位置、轴向涡量、涡核半径、次涡核半径、旋涡最大切向速度、环量等参数随等离子体激励的变化特性。结果表明：在等离子体激励的作用下,同侧的分离剪切层及其卷起的涡向外侧移动,同时另一侧的向着靠近模型的方向移动。同时激励器的作用使左舷侧涡心位置偏离次涡核的几何中心,且使得双侧的涡核和次涡核的尺寸增大。

一种改进的Nagel-Schreckenberg模型及速度-流量关系研究

为体现不同车辆在交通流中的差异性,在N agel-Schreckenberg模型的基础上,将减速概率与车辆密度和速度联系起来,提出了一种改进的一维元胞自动机交通流模型,重点研究了平均速度与流量的关系并与实测结果进行了比较,讨论了交通堵塞形成的过程。数值模拟结果表明本文模型在速度-流量关系的描述上要优于N agel-Schreckenberg模型。

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。

一种导管螺旋桨非定常干扰流CFD方法

基于雷诺平均Navier-Stokes控制方程和非结构网格旋转/静止滑移面技术,开展了导管与螺旋桨动/静部件干扰的非定常流及性能预测数值模拟方法研究。提出了静止与旋转域的多块网格布局策略及转/静滑移面技术,研究了导管壁面与螺旋桨桨梢间隙的网格布局形式,有效解决了螺旋桨旋转流及螺旋桨与导管干扰计算问题。典型敞开桨与导管螺旋桨算例的数值模拟结果与实验值符合一致,研究结果表明:所发展的导管螺旋桨CFD分析方法是实用、有效的。