风沙条件下颗粒对翼型流动分离的影响

运用延迟脱体涡模拟(delayed detached eddy simulation,DDES)技术对NREL S809三维翼型在洁净空气环境中和在不同直径颗粒环境下进行了数值模拟,由此预测了风沙环境下颗粒对翼型绕流分离的影响.研究结果表明:当攻角为8°时,DDES捕捉到了翼型吸力面的涡脱落现象,并且颗粒的加入显著地改变了翼型吸力面的涡脱规律,使得尾涡范围扩大、耗散更快,然而随着颗粒直径的增大,尾涡也逐渐恢复到接近洁净空气时的状态;当攻角较小(6°)时,翼型表面没有发生流动分离,颗粒的加入对流场的影响很小;当攻角较大(12°)时,颗粒对翼型绕流的影响也很小;不同攻角下颗粒对翼型升力系数有不同程度的影响.分析不同攻角下颗粒对翼型表面流动分离的影响规律表明:S809翼型绕流情况受颗粒影响最严重的攻角在7°~10°.     

低雷诺数下小展弦比机翼绕流的实验研究

应用粒子图像速度场仪（PIV）和烟线两种流动显示技术,测量低雷诺数下小展弦比机翼粘性绕流的流场.风洞实验结果表明,弦长雷诺数为1.8×10⁴,机翼处于5.0°攻角时,展向中间截面出现了层流分离,翼型后缘产生“驻留涡”.随着机翼攻角的增大,分离涡向翼型前缘迁移.当攻角增大至12.5°时,分离涡覆盖整个翼型上表面,翼型完全失速.此外,2种流动显示技术在同一工况下得到的实验结果较一致.将2种流动显示技术相结合,丰富了流场信息,能够更好地反映低雷诺数下小展弦比机翼粘性绕流的流动现象.     

低雷诺数下机翼复杂绕流的气动特性实验

在上海市应用数学和力学研究所SIAMM400 低速低湍流度风洞中, 对自行设计的GA-1060 机翼在低雷诺数下复杂三维绕流的气动性能进行了相关的实验研究, 并与NACA0012 翼型形成的矩形机翼绕流气动性能进行了比较. 结果表明: 在低雷诺数下GA-1060 机翼前缘较为钝厚, 有一定弯度, 厚度较小的外形使其具有更好的综合气动特性; 在较大攻角情况下, 升力系数和升阻比等参数均有较大提高, 6° 攻角时升阻比可增加到27%; 流动分离与翼尖涡的相互作用在一定程度上影响了翼尖涡的生成和发展.     

单个水滴蒸发过冷过程的特性分析

为分析单个水滴在低温、低湿空气中的运动和蒸发特性,建立了描述整个传热传质及运动过程的数学模型,并通过对悬挂水滴的蒸发冷却实验验证了该模型的有效性.通过模拟计算获得了水滴温度、直径、速度和运动轨迹的变化规律,以及水滴初始参数和空气速度对制冰效率的影响.结果表明,水滴在某一喷射角度下,直径越小,同样的下落高度水滴水平飞行的距离越短,而相应的速度衰减则越快,同时水滴蒸发过冷所需的时间越短.另外,水滴初始温度越低和逆流空气速度越高,在很短的下落高度内,水滴就实现了过冷,而水滴直径的变化量随着初始水温和空气流速的增大而增大,因此对雾化水滴进行预冷却不仅可提高系统制冰效率,还能减少水滴的蒸发损失.     

基于Virtual Boundary方法的钝体绕流数值模拟

为将基于力源拟化边界思想的浸入边界法应用于工程结构空气绕流模拟,如桥梁结构,选定适用于刚性边界的浸入边界算法(Virtual Boundary Method),结合交错网格及时间分步法,重点借助双线性插值实现拉格朗日点与欧拉点之间的数据传递以形成物体边界。分析其浸入边界形成机理和模拟结果,逐次展开对静止方柱、圆柱绕流及有风攻角的方柱绕流的数值模拟,最后完成对桥梁断面的绕流模拟。研究结果表明:在Virtual Boundary算法模型作用下,物体边界形成仅需0.6s,且符合无滑移壁面边界设定;物体内部流体隔绝于外部流动,流动衰减,仅起到光滑函数作用;方柱、圆柱、有风攻角的方柱绕流在该算法模型下所得流动现象与气动力和过往文献相同;对于桥梁断面,升力系数随风攻角增大有显著提升,3°攻角下尾部流场产生扰动出现明显的流场非对称性,攻角的改变并不影响断面尾部的旋涡脱落频率。     

合成射流用于提高微型飞行器翼型气动特性的研究

合成射流激励器可微型化,能够在流场局部实施细致的流动控制.提出将合成射流技术用于NACA0012翼型绕流的主动流动控制,在SIAMM400低速低湍流风洞中对该翼型绕流流场进行烟线显示实验、PIV测量实验及翼型表面压力测量实验,并与数值模拟结果相比较.结果表明：（1） 在来流雷诺数为18 000,翼型攻角小于15°时,合成射流能有效减小翼型表面附近的分离区大小;（2） 在翼型攻角 0°~ 15°范围内,不同攻角下需要调节最佳射流激励频率.如攻角为2.5°时,合适的激励器频率为1 300 Hz;攻角5°时,400 Hz和1 300 Hz比较适合;而攻角大于等于7.5°时,共振频率960 Hz更为合适;（3） 在来流雷诺数为140 000,攻角小于等于15°时,合成射流减小了翼型上表面射流出口附近的压力值,从而使上下表面压力差增大约5%,提高了升力.     

风力机叶片翼型气动特性数值模拟

为研究风力机转子叶片的翼型特征,通过Fluent软件对改进的NACA类风力机转子叶片翼型的绕流流动气动特性参数进行数值模拟分析.结果表明:对于改进的NACA类转子叶片,翼型特征的优化保留了叶片高升力,进一步降低了阻力,在多攻角范围内均获得了较好的升力系数和升阻比.当攻角较小时,叶片绕流流动即呈现较小的分离涡,随着攻角的上升,叶片正负压强差进一步增大,表面压力系数特征规律趋于稳定,尾部涡进一步扩大,表现出强烈的分离流动特性.翼型的优化设计可以直接提高风力机转子叶片的气动特征,进而提高风力机的工作性能.     

高超声速圆锥边界层转捩反转数值研究

为研究高超声速边界层转捩中存在的转捩反转现象,基于雷诺平均的N-S方程,采用γ转捩模型对高超声速圆锥体绕流进行数值模拟,得到了圆锥边界层转捩位置随攻角、头部钝度的变化规律,分析了圆锥边界层转捩反转现象的流动机理.结果表明：当圆锥头部钝度增大到一定值时,圆锥边界层转捩位置随攻角增大呈现迎风面提前、背风面推迟的反转现象;圆锥边界层转捩出现攻角反转现象时,迎风面摩阻系数明显大于背风面摩阻系数且转捩前后摩阻变化更大,此时应重点关注迎风面的热防护;在零攻角条件下,随着圆锥头部钝度从很小值逐渐增大,圆锥边界层转捩位置呈现出“N”型反转现象;圆锥头部钝度增大到一定值时出现的边界层转捩反转现象的可能原因是随钝度增大头部激波后熵层高度显著增大引起的.     

绕水翼超空化流场的数值模拟

基于Reynolds平均法,采用RNG k-ε模型及Mixture两相流模型,对绕水翼ys930的超空化流动进行了数值模拟,得到了绕水翼各个超空化阶段的超空化形态及各阶段的临界空化数与水翼攻角、来流雷诺数之间的关系,确定了临界空化数与来流雷诺数在不同攻角条件下的0.4次方经验关系式,给出了系数的取值区间.结果表明:超空化的发展经历了超空穴形成、汽液两相共存和完全发展3个阶段;各阶段的临界空化数随水翼攻角的增大而增大,基本呈线性关系;由于回射流的作用,在水翼前缘处形成一个逆时针旋涡,使逐渐长大的空泡脱离水翼吸力面并向下游脱落;在不同空化数下,空泡脱落的位置不同,导致空泡长度的变化.     

基于CFX的全垫升气垫船船身空气动力模拟

基于Solidworks三维实体建模软件建立了全垫升气垫船三维模型,利用ANSYS CFX计算流体力学软件对全垫升气垫船模型的流场进行数值模拟,计算得到了不同攻角和漂角下相应的空气动力系数;讨论了攻角及漂角的变化对空气动力系数的影响.数值结果表明:随着漂角的增大,横向力也增加,漂角达到90°时横向力最大;随着漂角的增大,纵向阻力降低,漂角为90°时达到0°;漂角继续增加时,纵向阻力为正值,横向力、垂向力增大显著,进而严重影响了全垫升气垫船航行的稳定性.将模拟计算结果与试验数据进行对比,发现计算值与实验值符合较好,验证了CFX软件在全垫升气垫船空气动力学模拟中的适用性和可靠性.     

飞机机翼积冰的数值模拟研究

针对机翼结冰问题,提出了一种翼型结冰的数值模拟方法。介绍了适用于本方法的翼型网格划分及流场求解方法;提出了一种适用于CFD的水滴收集系数计算方法;利用Fluent软件的离散项模型(DPM)及用户自定义函数功能(UDF),计算求解了翼型表面的局部水滴收集系数;介绍了积冰过程中的质量守恒和能量守恒过程;基于积冰垂直生长假设,介绍了积冰生长模型;最后利用本文提出的方法预测了翼型的结冰情况。将用本文提出的方法计算得到的三种典型积冰类型同国外冰风洞实验结果做了对比,证明了本文方法的正确性和准确性。     

过冷大水滴粒径分布的欧拉-拉格朗日混合抽样算法及对冰型影响

过冷大水滴（supercooled large droplet,SLD）云雾环境不同于常规粒径范围的过冷水滴,具有更大的粒径范围和复杂的水滴粒径分布形式,使得结冰的冰型异常复杂,从而给飞行器的飞行安全带来了前所未有的挑战。现有结冰数值模拟方法仅能模拟单一粒径的水滴,无法准确模拟真实SLD云雾环境“双峰分布”的粒径分布特性和相应的冰型。为了准确高效模拟SLD这种粒径分布特性,本文提出了一种基于Rosin-Rammler 分布函数进行欧拉-拉格朗日混合抽样的水滴轨迹模拟算法。通过该方法收集水滴,再利用结冰模型与水膜模型计算表面溢流传热和冰高,从而实现了准确高效的SLD粒径分布的结冰数值模拟,并通过2.5维算例研究了SLD粒径分布对机翼结冰的冰型特征以及冰型空间随机性的影响。结果表明SLD的粒径分布对冰型有较大的影响,冰型特征和冰型随机性与MVD和粒径分布方差紧密关联。     

飞机机翼积冰表面粗糙度研究

本文对飞行过程中的飞机机翼积冰过程的数值模拟中的粗糙度计算提出了改进。此方法结合S-A湍流模型中改进的积冰表面粗糙度计算,对飞机机翼积冰过程进行了数值模拟。为验证方法的效果,本文计算了NACA0012翼型的积冰情况及对气动特性参数的影响,计算结果与试验数据结果进行了对比．并与目前国际上广泛采用的经验公式计算粗糙度的方法进行了对比讨论。结果表明改进的方法和文献中的试验数据吻合良好。     

基于随机运动模型的结冰密度预测方法

针对结冰过程随机性较强的特点,提出了一种适用于不同气象条件的结冰密度预测方法. 结合单个液滴的随机运动特性建立了结冰模型,对不同模型参数下的结冰过程进行模拟,得到结冰密度随模型参数的变化关系,并在气象因子与模型参数之间构建解析模型,从而可以预测出不同气象条件下的结冰密度. 仿真结果表明:随机运动模型所预测的不同气象条件下的结冰密度与实验结果吻合.      

基于曲面重构的飞机三维结冰数值模拟计算

在飞机结冰数值模拟中,采用多时间步长法可以准确模拟实际结冰情况。首先给出了三维结冰数值模拟方法,通过求解N-S方程计算空气流场、采用欧拉法计算水滴轨迹、求解质量和能量守恒方程计算结冰增长。对结冰后的结果数据进行重组,建立新的拓扑关系,采用非均匀双三次B样条曲面重构算法重构冰形曲面,得到几何模型,实现飞机三维结冰的多时间步长数值模拟。比较了单时间步长和多时间步长的计算结果;并与冰风洞试验数据及LEWICE预测数据进行对比,分析了不同时间步长对结冰外形的影响,得到了表面水收集系数随着时间的变化规律。结果表明,随着时间步长的不断缩小,水收集系数在机翼上表面不断增加,影响冰形的增长。时间步长越小,计算结果越接近试验数据,验证了曲面重构算法的正确性,说明多时间步长在结冰数值模拟方法中的优越性。     

面向自然结冰试飞评估的冰形增长规律

飞机自然结冰试飞是民机适航取证中的关键点之一。由于试飞的高风险和成本,掌握冰形积聚的规律对指导试飞开展及飞行安全研究有重要意义。本文通过数值模拟研究了不同环境条件下二维翼型的冰形生长过程,重点分析了结冰环境水滴粒径和温度对冰形高度增长规律的影响,并结合水滴收集率随积冰高度的变化趋势分析了冰高增长速度变化的机制。结果表明,飞机二维冰形高度的增长有线性和减速两种基本状态：线性增长状态对应着霜冰形态;减速增长状态对应着角冰形态。在大水滴粒径和低温条件下下则会出现略微的加速增长。因此,试飞时为了在最短时间内获得足够的冰高度,需要尽量选择水滴直径较大而温度较低的环境,而这是航线飞行需要避免的情况。     

直升机旋翼结冰后三维桨叶气动特性数值分析

针对直升机旋翼桨叶结冰问题,研究了结冰前后三维旋翼桨叶气动特性.基于多参考系模型建立了旋翼桨叶三维结冰数值模拟方法,对其中空气流场计算、水滴撞击特性计算、结冰生成计算和几何模型重构等步骤进行了介绍.以C-T旋翼为模型,计算分析了结冰对旋翼桨叶气动特性的影响.计算结果表明,结冰后旋翼桨叶升力降低、阻力增加,悬停性能下降明...     

基于径向基函数的结冰收集率计算的两级插值方法

为提高飞机结冰数值模拟中粒子轨迹计算的效率,基于拉格朗日方法,提出了两级插值方法。第一级插值为收集率插值,根据水滴轨迹在壁面撞击位置的收集率,采用径向基函数插值计算所有网格的收集率;第二级插值为轨迹插值,把水滴从远场运动撞击到壁面过程分为两个部分,在距机翼较远位置计算少量水滴轨迹,在壁面附近位置加密计算大量水滴轨迹。采用收集率插值时,由于结冰累积,线性插值或者高阶样条插值方法在遮蔽区内插值不准确,引入径向基函数插值来解决该问题。给出的算例表明,两级插值方法能够极大的提高拉格朗日法计算收集率的效率,径向基函数插值能够避免遮蔽区内插值不准确的问题。     

不良气象微环境下桥塔横梁覆冰灾害过程模拟

冬季桥塔横梁坠冰是威胁桥梁交通安全的重大隐患之一,系统分析不良气象微环境下横梁覆冰灾害过程机制,是保证桥梁交通安全的迫切需求。本文依托FLUENT与FENSAP-ICE软件建立了桥塔横梁覆冰数值仿真模型,探讨了风速、液态水含量和环境温度等微气象参数对桥塔横梁覆冰灾害演化过程的影响规律。结果表明：本文提出的数值仿真方法在明冰及霜冰条件下均具有较高的可行性与准确性;对武汉长江二桥桥塔横梁结冰数值模拟发现,覆冰区域集中分布于横梁迎风侧前缘及上下边缘,整体呈现出“U”型分布特征,是横梁防冰、除冰的重点区域;不良气象微环境是影响横梁结冰形态、分布及覆冰量的重要因素,覆冰形状受风速、液态含水量影响较大,受温度影响较小。