不同孔口构型合成射流激励器的低速翼型分离控制特性

为探索孔口构型对合成射流激励器流动控制效果的影响,采用数值方法研究了4种不同孔口构型的合成射流激励器对大攻角20。下NACA0015翼型分离流动的控制特性。通过对翼型气动力特性、脱落旋涡结构以及射流孔口附近流动结构的分析,阐述了合成射流的边界层分离控制机理。首先在距离翼型前缘10％、20％、30％弦长位置安装激励器进行数值模拟,得到20％弦长的激励器方案效果最好。然后在此位置处,采用设计出的“凸台型、凹台型、斜出口”以及常规平台型等4种孔口构型的激励器进行流动分离控制。结果表明,在所有方案中,流动控制效果最佳的方案是喷口向流动方向倾斜的孔口构型;在这种方案下,射流与主流掺混使得边界层的动能增大,抗反压能力增强,并且由于喷出的气流方向与主流方向夹角很小,掺混后的气流流动方向与主流相近,从而使得边界层分离被大大削弱甚至消失。     

高空飞艇高度控制系统设计及仿真

高空飞艇在上升和下降阶段时单独的空气舵控制或副气囊充放气操纵都难以实现飞艇的快速爬升和悬停的要求。针对高空飞艇纵的控制操纵特点,提出了采用副气囊充放气和空气舵组合控制的高空飞艇高度控制方案。当时高度存在大误差时,采用副气囊和空气舵组合控制改变飞艇的姿态实现快速爬升或下降;当接近悬停高度时,主要采用副气囊充放气进行高度调整,从而实现高度的大范围控制。首先完成了采用组合控制的高空飞艇动力学建模;然后,基于最优控制对高空飞艇纵向高度控制系统进行了设计;最后给出了高空飞艇高度控制系统的仿真验证。结果表明所提出的高空飞艇组合控制方案是可行的。     

合成射流控制下低压高负荷透平叶片边界层分离大涡模拟

为了研究合成射流对低压高负荷透平叶片边界层流动分离进行控制的效果及机理,采用大涡模拟方法对利用合成射流控制低压高负荷透平Pak-B叶栅内的非稳态流动分离特性进行了研究.在合成射流控制下的结果表明:Pak-B叶栅吸力面流动分离位置变化不大,再附位置明显提前,叶栅吸力面尾缘区域逆压梯度明显减小,总压损失系数降低,分离泡尺寸缩小;叶栅吸力面大部分剪切层黏附于壁面,也未出现大尺度二维展向涡,静压脉动特征频率向高频转移,低频脉动幅值降低,大尺度涡旋结构发生变化.通过研究还发现:在吹气过程中,边界层外部高能流体被射流卷吸进入边界层内,边界层内流体能量增大进而抑制了分离;在吸气过程中,射流孔上游区域边界层厚度减小,流速增大,从而抑制了下游流动分离.     

定常与脉冲涡旋射流下矩形扩压器流动分离控制研究

为了研究涡旋射流控制流动分离的物理机理,基于大涡模拟方法对涡旋射流控制下的矩形扩压器流场和射流流向涡结构的生成、发展等动力学演化过程进行了数值研究.结果表明:射流产生的流向涡将主流高动量气流带入分离区,增加了边界层内气流流动方向的动量,使流动分离得到了抑制.射流流场的涡结构主要由射流剪切层涡、马蹄涡、尾涡组成,由于速度梯度大小的变化,使得射流剪切层涡系的结构随着时间推移从涡卷演化为涡环.对于脉冲射流,在低频脉冲下,射流产生的流向涡呈涡卷结构,流动控制效果明显.在高频脉冲下,射流剪切层涡演变成间歇涡环结构,流动控制效果减弱.通过对比脉冲频率和占空比对流动控制的影响发现,占空比为0.5、频率为20Hz的脉冲射流具有较好的流动控制效果.     

合成射流激励位置对控制翼型大攻角分离流动影响的数值研究

针对合成射流的激励位置这一因素,以NACA0015翼型为研究对象,对大攻角(α=20°)下基于弦长的Re为8.96×10~5、单个合成射流激励位于翼型吸力面不同位置时的流场进行了二维非定常计算,并利用本征正交分解(POD)方法对计算结果进行了分析,阐释了相关控制机理。研究表明,合成射流的激励位置对翼型流动分离的控制效果有显著影响。当激励位置位于0.12至0.4倍弦长之间时,合成射流激励能有效抑制翼型流动分离,提升升力系数,降低阻力系数,升阻比最高提升293%,其中最优激励位置并不在普遍认为的控制前时均分离点附近,而在离分离点下游一定距离的分离区内部。对计算结果的POD分析表明,合成射流的引入改变了流场不同模态间的能量分配,能量由代表平均流动的一阶模态向代表流场中湍流大尺度结构的二阶及更高阶模态转移。合成射流的最佳激励位置与控制前流场二阶模态翼型吸力面附近的特征涡结构有关,要达到最佳的控制效果,合成射流激励应放置在特征涡结构的位置,若布置在下游或者较远的上游位置,则无控制效果。     

高空飞艇增浮减阻技术研究

为了增加飞艇的体积效率,需要减小飞艇的长细比,但带来飞艇流场的分离问题,引起阻力的增加.发展了一种增加飞艇浮力、减小飞艇阻力的技术途径,即在飞艇中间增加一条通道,将飞艇前面驻点的高压流体通过管道从尾部流出,以便改善飞艇后体的分离程度,从而在增加飞艇浮力的同时,控制飞艇的阻力.通过运用黏性流场的计算分析,研究结果表明:所提出的技术途径在增加飞艇浮力的同时,可以有效地改善飞艇后体的分离,可以为飞艇设计提供一种新的思路.     

低压透平叶片表面合成射流非定常流动控制机理研究

基于Langtry-Menter转捩模型的SST湍流模型,通过求解三维非定常雷诺时均Navier-Stokes方程,数值研究了低雷诺数下合成射流涡发生器对Pak-B低压透平叶片吸力面流动分离的影响,揭示了低压透平叶片表面合成射流非定常流动的控制机理.结果表明,引入合成射流涡发生器能够抑制甚至消除低雷诺数下叶片吸力面上的流动分离.在雷诺数为25 000、自由流湍流强度为0.08%下,提高射流控制频率有助于增强合成射流涡发生器对低压透平叶片表面流动分离的控制效果,减少流动损失.当控制频率为10Hz时,叶栅出口的相对总压损失系数为0.42;当控制频率增加到20Hz时,相对总压损失系数仅下降到0.41.这表明,当合成射流控制频率大于10Hz时,继续增加控制频率来减少叶片表面流动损失的效果是不明显的.     

合成射流对脉动气动载荷的相位控制

提出了通过合成射流控制脉动气动载荷相位来抑制结构物涡激振动的思想.为了验证合成射流对脉动气动载荷的相位控制功能和研究实现合成射流相位控制功能的参数范围,采用CFD软件对有无合成射流控制下,E214翼型周围的二维非定常流场进行了数值模拟,得到了翼型升力系数的时间历程.对有无合成射流控制情况下,气动载荷的时间历程进行快速傅利叶变换.给出了大迎角下无合成射流控制时脉动气动载荷的主频,及判断合成射流能否实现相位控制的方法.应用该方法对一系列数值模拟的结果进行分析判断,得到合成射流能实现相位控制的速度-频率参数范围.结果发现合成射流的相位控制功能受合成射流喷射速度和喷射频率的影响很大.当合成射流喷射频率与无合成射流作用下脉动气动载荷的主频非常接近时,只需较小的控制能量就能实现相位控制.而当合成射流喷射频率偏离无合成射流作用下脉动气动载荷的主频时,则需要较大的控制能量才能实现相位控制.     

飞艇蒙皮振动对流场特性的影响

通过求解二维雷诺平均Navier-Stokes方程,采用SST两方程湍流模型对飞艇二维绕流流场进行数值模拟,重点分析飞艇蒙皮振动对流场的影响。为便于流场对比,在飞艇蒙皮的上表面给定一种沿流向传播的振动波型,通过调整振动的振幅、频率和波长,分析3种振动参数对流动分离和阻力的影响。研究结果表明:沿流向的蒙皮振动会使飞艇绕流流场产生显著变化。在一定振幅和频率条件下,随着波长的减小,流动分离加剧,阻力系数增加;在固定波长和频率条件下,随着振幅的增加,流动分离加剧,阻力系数增加;而在固定振幅和波长条件下,随着频率的增加,非定常效应增强,流动分离减弱,阻力系数减小;此外还发现,选取一定的振动形式和合适的参数可能起到抑制流动分离,从而减小阻力的作用,为高空飞艇减阻提供了一种技术途径。     

一种临近空间长航时定点驻留高空飞艇

 临近空间高空飞艇飞行于距离地面20~50 km 高度的平流层空间,能够实现长航时飞行以及高空定点驻留,在长期驻空、高空探测、定点驻留、战效评估、导弹防御、电子对抗等诸多领域具有广泛的应用前景。随着轻质高强蒙皮材料的研制和循环太阳能源技术的发展,发展临近空间飞艇成为当前研究的热点。美国、中国、欧盟、日本、韩国等许多国家都投入了大量经费研制临近空间飞艇,已经取得了一定研究进展。     

可压缩气体合成射流微喷优化设计

借助Fluent软件,基于标准k-ε湍流模型和PISO算法,采用动网格方法构造动边界条件,在可压缩模型下,对二维、黏性、非定常气体合成射流微喷的频率特性及影响射流性能的3个关键因素(驱动频率、振动膜峰值速度和喷口尺寸)进行数值模拟,为合成射流微喷的优化设计提供了依据.结果表明,在可压缩模型下,合成射流微喷的频率特性仿真结果与理论计算结果较吻合,验证了其在可压缩气体模型下仿真的必要性;同时,对任一给定的合成射流微喷,驱动频率和喷口宽度存在最优值.     

等离子体合成射流激励器的流场特性分析

等离子体合成射流作为一种新型的主动流动控制技术,是针对传统合成射流激励强度差而设计的。利用Fluent 6.3软件,采用结构化网格,对等离子体合成射流激励器流场进行了二维非定常数值模拟,研究单次放电激励器流场的演化规律,并且比较了不同放电时间尺度对激励器出口速度的影响。研究表明:等离子体合成射流激励器能够产生高速射流,最大速度达到439 m／s,大大增加了流场湍流度;激励器放电时间越长,出口峰值速度越大。计算结果表明等离子合成射流激励器能够应用于高速流动控制。     

环量控制对翼型气动特性的作用机理

环量控制能够显著提高升力,改善飞行器短距起降性能。首先从机理上分析了环量控制的作用原理,然后通过CFD数值仿真方法研究环量控制对翼型气动特性的影响规律,采用雷诺平均N-S方程,SST湍流模型,将射流口边界条件设为反映动量系数的速度入口,分别模拟了动量系数和迎角对升阻特性和附面层分离特性的影响规律。结果表明:在α=0°,Cμ=0.05时,升力增加327%,效费比ΔCy/ΔCμ为21.97;随着动量系数增加,前缘分离导致失速迎角提前,在中等动量系数和小迎角状态能够获得优良的升阻特性。     

等离子体流动分离控制的数值模拟

采用Shyy等提出的等离子体激励器对流动施加体积力的简化模型,测试了激励器对圆柱绕流分离的控制效果。研究了激励器对于大迎角下NACA 0015翼型流动分离的控制情况。数值结果表明:前缘是施加激励作用的最佳位置;当激励器处于最佳激励位置时,对NACA 0015翼型施加等离子体激励能有效的抑制流动的分离。在所研究的范围内,施加的激励强度越大,控制效果越好。结果表明:该方法对于流动分离的控制效果显著,达到了增升减阻的目的。     

飞艇三维航迹控制研究

研究了在系统存在不确定性或外界干扰的情况下飞艇的三维航迹控制问题.根据飞艇空间运动数学模型的特点,基于滑模变结构控制关于不确定因素的不变性,采用不确定仿射非线性系统在满足匹配条件下输出解耦变结构的控制方法,设计了飞艇的三维航迹控制律.仿真结果表明,在系统存在不确定性或外界干扰的情况下,仍可使飞艇按照规划的航迹飞行.     

合成射流对类车体流动控制的影响

基于大涡模拟对有无合成射流控制的三维类车体流场进行仿真,与试验结果对比,验证仿真方法有效.平均场结果表明,当合成射流出口位于顶盖和斜背交界处时,可减弱流动分离,缩小回流区,改变背压,降低阻力.频谱分析显示,当激励动量系数超过1.0×10~(-4)时,斜背表面压力、回流区速度和涡量以及阻力系数功率谱密度对应的峰值频率皆为激励频率.瞬态流场分析结果指出,合成射流与外流之间的交互作用导致了阻力系数曲线中出现周期性改变的波谷和波峰.     

合成射流用于动态失速控制的数值模拟

动态失速是限制相关机械或飞行器性能的重要因素,因而对动态失速控制的研究具有重要的工程意义.以二维非定常可压RANS方程为控制方程,采用Jameson中心有限体积法,对攻角作α=15°+10°sin(ωt)变化的亚音速俯仰振荡NACA 0012翼型的流场进行了数值模拟,并对合成射流在此工况下的控制效应进行初步研究,分析作动器频率、射流动量系数及作动器位置对控制效应的影响.计算结果表明,加控制后能明显地提高最大升力、减少阻力.