多机型组合下的尾流遭遇仿真研究

为更好的研究尾流的演化和遭遇,将数值模拟与后机响应相结合,进行不同机型组合下的尾流危险区研究。采用H-B(Hallock-Burnhan)模型模拟仿真尾涡流场,进行尾涡演化,提取全流场的时空信息。选取我国数量较多使用频繁的机型进行尾流遭遇分析,将滚转力矩系数作为尾涡遭遇安全评价指标,求解不同前后机的尾流间隔,并进行危险区的可视化。结果显示：不同机型组合下呈现出的尾流间隔相比于RECAT-CN(Re-categorization)尾流间隔都有一定的缩减空间。同前机不同后机的机型组合下,由于后机气动力特性的不同,危险区的差异主要表现为纵向范围大小;不同前机同后机的机型组合下,危险区的宽度和长度的变化都存在一定的差异。使用数值模拟进行前机尾流演化能更好的探究尾涡危险区的变化趋势,更精确的计算尾流间隔。     

基于条带状模型的航空器巡航阶段尾流风险区计算

为缩短巡航阶段尾流间隔与垂直间隔,提高空域利用率,首先建立尾流运动模型与尾流耗散模型,使用条带状模型计算后机遭遇前机尾流的气动力矩,以滚转力矩系数极限值作为衡量尾流风险的指标,计算不同机型、不同高度层以及不同起飞重量下的尾流危险区域,并对其影响范围进行分析。最后结合危险区与后机航道的重叠范围确定最小尾流安全间隔。结果表明：与近地阶段相比,巡航阶段尾流初始环量大,耗散速度快。高度层增高会使尾流下沉加快,尾流危险区与垂直间隔增大,水平间隔减小;飞机重量增大会使尾流危险区与垂直间隔变大,水平间隔减小;超重型机的危险区远大于重型机与一般重型机。中型机与不同重型机的水平间隔可缩减38%-57%,垂直间隔至少可缩减至100m。研究结果为制定巡航阶段尾流安全间隔标准具有实际参考价值。     

非涡核区域尾涡遭遇快速建模方法

基于Hallock-Burnham尾流速度模型,建立了尾涡流场、滚转力矩及最大坡度计算模型。通过对非涡核区域尾涡遭遇的仿真,计算尾涡流场中不同位置的飞机最大坡度,按坡度大小进行尾涡流场区域危险等级划分,确定流场中不同危险等级的分布范围;研究分析了飞机飞行高度、重量、马赫数以及前后机间隔等因素的变化对飞机尾涡遭遇的具体影响。通过案例分析计算,验证了模型的快速性,可用于尾涡流场非涡核区域危险性分析。     

侧风影响下的飞机尾流强度消散与涡核运动

利用有利的侧风条件适度缩减尾流间隔以提升空域容量已成为国际空管研究的热点问题之一。在建立了A320机翼尾涡流场上,基于RANS方法采用RKE涡粘模型对雷诺应力项进行二方程封闭,提出利用UDF(用户自定义函数)编程技术分别施加静风、1 m/s、4 m/s、7 m/s 4个不同侧风风场,在"天河一号"超级计算机上开展数值模拟实验。基于试验数据,分析了不同侧风影响下的尾涡下沉运动、涡量衰减、尾涡横向运动、涡心速度等参数的变化规律。结果表明:受到侧风扰动后,尾涡涡量快速上升,其滚转力矩在短时间内迅速增加,尾涡涡心间距快速减小后又迅速反弹分离。在垂直方向上,尾涡反复上下跳跃,呈现出不稳定性,强侧风时的诱导湍流形成的剪切梯度会造成涡核脱落,涡体迸裂进而快速消散。在水平方向上,尾涡会被强侧风快速吹离主航路,有利于缩减所需的尾流间隔、提高机场运行效率。     

不同侧风角作用下Ahmed模型空气动力学特性分析

通过3种数值模拟方法的对比分析,得到最优的模拟方案,故采用分离涡方法对Ahmed模型气动特性进行研究,分析了不同侧风角对钝体尾流的涡量、湍流强度、压力及流线的分布规律的影响,得到了力和力矩系数的变化特征,总结了尾流倾斜角度随侧风角变化的综合公式。研究结果表明,侧风角对钝体尾流特征参数影响不是单调的,在侧风角为30°时钝体尾部涡量最大;钝体尾流倾斜角度与气动力系数随侧风角的增大而增大;侧风角50°时的钝体背部迎风侧压力和头部平均速度也达到最大值。研究结果可以为复杂横向来流条件下汽车运行的安全性和稳定性提供一定依据。     

基于蒙特卡洛仿真的高空尾涡运动特性

飞机在飞行过程中形成的尾涡流场是飞行安全重要影响因素.为研究飞机尾流在12500 m以上高空空域对下方飞机造成的影响,基于尾涡仿真快速计算模型建立了尾涡物理模型,采用蒙特卡洛方法对不同飞行高度处尾涡涡核的下沉高度进行仿真实验,分析了高空与中低空的涡核下沉高度差异性;然后计算不同飞机质量及大气湍流度下的高空尾涡涡核下沉高度,并对高空尾涡涡核下沉高度的影响因素进行分析.研究发现:与中低空相比,高空尾涡涡核下沉高度有所增加,平均增量为42.4～49.7 m;减小飞机质量可以降低垂直高度上的尾涡影响范围;当涡流耗散率超过1.2×10-4 m2/s3后,高空尾涡涡核下沉高度的变化较为缓慢.研究结果为高空尾流垂直间隔缩减研究提供参考.     

飞机尾流间隔标准中的机型分类方法

机型分类方法是尾流间隔计算的基础和依据，我国现行机型分类标准与ICAO相同,均依据飞机重量进行分类。在欧美国家提出的尾流标准重新分类（RECAT）中，依据最大起飞重量和翼展等参数对机型分类和尾流间隔标准进行了重新调整。首先介绍了现行机型分类方法、RECAT 1.5、RECAT EU机型分类方法，然后依据飞机环量计算模型，对国内43种常用机型进近着陆阶段的环量进行计算分析，提出基于环量的RECAT NEW机型分类方法。计算表明，RECAT NEW机型分类方法中，各机型分类区间平均绝对偏差和标准差均小于RECAT 1.5和RECAT EU中各分类区间的该值，可更好地满足RECAT研究需要，具有实际参考价值。     

抗空化扭曲舵的设计及其水动力性能分析

摘要： 通过面元法计算螺旋桨尾流场,根据螺旋桨尾流场对扭曲舵各剖面的几何攻角进行设计,提出了抗空化扭曲舵的设计方法;采用计算流体动力学方法评价舵的水动力性能,并经过拖曳水池的舵力测量试验加以验证.结果表明,在不同的航速和舵角条件下,与普通舵相比,扭曲舵的负压力系数峰值明显较小,从而大幅提高了舵的抗空化性能,降低了舵的空化剥蚀和由舵产生空泡所引起的振动噪声.由于扭曲舵与螺旋桨的尾流匹配良好,在舵角为0°时,扭曲舵叶背的压力系数分布与叶面的压力系数分布基本重合,因而显著减小了直航时舵上的横向力和舵轴力矩,有利于舵和舵机的受力.     

顺排管束流动和传热数值模拟

采用数值模拟的方法考察了列管式换热器中顺排管束的流动和传热问题,计算了不同纵向节径比(S_L/D)和横向节径比(S_T/D)对顺排管束传递特征的影响,并综合评价了其换热效果。结果表明,管排结构中大部分圆管均受尾流影响,在前列圆管尾流的作用下,尾涡结构被改变。相比于单圆管,管排结构强化传热的作用较明显,且对管排横向间距变化较为敏感。结果显示,增大S_L/D和S_T/D均能提高努塞尔数(Nu),但同时阻力系数也随之增大。当S_L/D=2.7,S_T/D=2.5时,管束的综合传热能力最优。此外观察到管排结构可以减小涡脱落频率,对涡脱落起一定的抑制作用,并通过线性拟合得到了管排斯特劳哈尔(St)数与雷诺(Re)数的关系。     

鱼雷推进性能的经验公式与计算流体力学预测

采用理论预测和计算流体力学（CFD）2种方法对某型导管推进器的鱼雷推进性能和雷体、推进器的水动力性能进行预测分析.结果表明：在航速10.29~25.72 m/s条件下,通过CFD计算的无附体雷体阻力系数与平板摩擦阻力系数和剩余阻力系数之和相差5.2%,即适用于雷型特征的阻力经验公式的精度较高;在进速系数为1.6~2.0时,导管推进器敞水性能曲线的CFD计算值与实验值较吻合,误差小于5%;通过CFD法计算的雷体尾流中推进器的推力、力矩和推进效率与适用于对转桨推进鱼雷经验公式的计算值相差均小于5%,说明适用于对转桨推进鱼雷的推进性能经验公式也适用于导管推进器.     

基于计算流体动力学的发动机喷流影响下后侧飞机受力分析

实施运行起飞点后侧穿越跑道方式的关键是确定两机安全间隔,后机受到前机发动机喷流作用则是安全间隔的重要影响因素。基于起飞点后侧穿越跑道方式,采用CFD数值模拟方法对一定距离下前机发动机喷流直接作用于后机的场景进行研究。根据数值模拟结果,后机整体压力值最大范围分布在迎喷流一侧的垂直尾翼、水平尾翼表面和机身尾部。后机表面沿喷流方向上的受力为18404.1N,结合其抗侧偏能力分析,认为基于最大安全裕度,为保证后机（空重）在前机发动机喷流作用下,还能保持在滑行道中线上运行,应在487m的基础上再适当增加间隔。     

起飞飞机后侧穿越方式下的滑行效率分析

为提高机场场面运行效率,以前侧跑道穿越方式为比较对象,对后侧穿越方式下的滑行效率进行分析。基于前后侧两种不同跑道穿越方式的机理,结合图论思想,将航空器的地面滑行速度、安全间隔及滑行道使用规则等作为约束条件,以总的地面滑行时间最短为目标函数,分别构建前侧穿越和后侧穿越两种不同穿越方式下的数学模型;根据前后侧穿越方式下的航空器地面滑行特点,设计面向前后侧穿越下航空器滑行路径的遗传算法对模型进行求解;选用重庆江北国际机场为例,统计目前在该机场运行的主要机型,从起飞滑跑距离、抗侧风能力及尾喷影响距离对其性能进行分析,计算江北机场某一天高峰小时内37架航班的地面滑行时间,比较两种穿越模式下的滑行效率。计算结果表明:单位小时内,前侧穿越结合后侧穿越模式比单独使用前侧穿越模式时的总地面滑行时间节省约9min,结合使用前侧穿越和后侧穿越的模式可以在前侧穿越延误较大的情况下提高场面滑行效率。     

基于时空特征融合的飞机尾涡识别

为了实现动态尾流缩减技术,减少进近阶段前机尾流对后机飞行安全的影响。依据相干激光雷达（coherent Light Lidar,简称CDL）扫描风场循环周期性特点,提出一种基于时空特征融合的飞机尾涡识别模型。首先,CDL扫描生成的径向速度风场转换成序列输入和块输入。然后,双向长短时记忆（bidirectional long short-term memory, 简称Bi-LSTM）网络用于提取序列输入的时间特征,卷积神经网络（convolutional neural network, 简称CNN）网络用于提取径向速度风场块输入的空间特征。最后,将融合的时域和空域特征输入全连接层分类器,得到最终分类识别结果。实验团队在深圳宝安机场附近采集风场,并构建尾流数据集来验证所提得融合模型,结果表明：基于CNN和Bi-LSTM时空特征混合模型具有较好的分类性能,在尾涡识别上的准确率、召回率、F1分数分别达到97.13%、97.50%、97.03%,且相比单一模型是一种更有效的识别方式,能够获得实时高效尾流预警。     

不同侧风类型影响下的飞机尾涡数值模拟研究

在航空飞行中,低空风切变极易对处在起飞爬升或进近着陆阶段的飞机带来安全隐患,严重时会导致飞机失速甚至坠毁。低空风切变往往还具有持续时间短、尺度小、突发性强等特点。因此在中国民航和通用航空业高速发展的背景下,加强对飞机遭遇低空风切变的数值模拟仿真和研究具有重要意义和实际价值。采用SST模型并使用FLUENT计算尾涡演化,通过构建H-B尾涡耗散二维模型,应用ANSYS FLUENT UDF(user defined function)编译环境侧风不同的7种情况进行尾涡耗散机理的数值模拟,通过对比成都双流机场实地探测的尾涡发现在非线性垂直切变影响下侧风和涡诱导速度的叠加会导致尾涡对周围的压力分布不对称,引起尾涡对倾斜。     

某型运输机发生严重颠簸时的阵风响应分析

介绍了某型运输机在飞行中遭遇阵风,引起飞机发生严重颠簸的情况.分析了颠簸时自动驾驶仪参数、发动机参数和飞机纵向参数变化.结果显示,高度、指示空速、迎角、俯仰角、法向过载等飞参在飞机遭遇阵风时的响应迟滞不同.同时计算得到飞机的相对升力(与颠簸前飞机稳定平飞时升力的比值)和垂直风速,其极值分别为0.25m/s和-11.58...     

融合式翼梢小翼对飞机尾涡演化的影响

随着空中交通流量的增长,尾流间隔精细化、动态化缩减成为了民航发展的一种趋势,研究尾流演化过程也成为了民航领域关注的前沿科学问题。基于此,本文采用雷诺平均 N-S方程方法研究了B737-800飞机有无融合式翼梢小翼对飞机尾涡的演化过程影响。利用NASA动态尾流系统中APA尾涡消散模型计算了不同气象环境参数下有无小翼的尾涡环量变化。结果表明：融合式翼梢小翼可以分割翼尖涡,有效改变翼尖气流的流动特性,增大速度梯度,减小尾涡速度、尾涡能量集中程度和尾涡强度;不同大气湍流耗散率和大气层结稳定度下,小翼对尾涡强度的减小量不同。     

ARJ 21飞机起飞速度全局优化方法及效果

为了充分挖掘ARJ 21飞机的性能潜力,提高国产民机商载能力,本文在满足规章要求的前提下,通过分析比较ARJ 21飞机V1/VR、V2/VS在各自可选范围内对最大起飞重量的影响规律;同时讨论了典型运行条件下能够获得最佳载量能力的V1/VR、V2/VS最优取值区间,研究了速度全局优化对最大起飞重量的提升效果;最后以遍历算法为参照,讨论了黄金分割法和遗传算法实施全局优化可行性和有效性。结果表明,ARJ 21飞机实施速度全局优化确能有效提升起飞商载能力,经济效果良好,此外,使用遗传算法能更加高效地完成最大起飞重量全局优化,是一种快速获得最大起飞重量最优解的有效方法。