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。     

基于雷达探测数据的尾涡危险区评估

针对尾涡危险区域的研究可以有效避免后机尾涡危险遭遇事件的发生,提出了一种基于激光雷达探测数据的尾涡危险区计算方法。根据雷达实测数据反演飞机尾涡的演化轨迹和速度环量;基于后机遭遇前机尾涡的空气动力学响应构建滚转力矩系数模型;考虑尾涡在实际场景下的演化情况,结合反演得到的尾涡特征参数,计算飞机遭遇尾涡时的滚转力矩并计算尾涡危险区。结果表明:基于激光雷达探测数据反演尾涡特征参数,左涡和右涡的位置、环量并不一致,据此结合滚转力矩系数模型计算得到的整体危险区域也具有不对称性,当单涡更稳定时,对应的危险区域也更大。以B738为后机,选取某一尾涡探测片段验证,对于涡心坐标位置为左涡(390m,8.61°),右涡(435m,8.85°)的尾涡,左涡、右涡的环量分别为256.83m2/s和223.35m2/s,左涡相对右涡实际划设的危险区,覆盖范围更大,因此后机与前机左右尾涡的安全阈值区域不同,可据此对横向间隔做出不同调整,因此本方法有利于为分析后机遭遇安全性、缩短尾流间隔提出重要参考。     

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.     

干扰板作用下飞机尾涡流场近地演变机理研究

为了更好地控制和规避飞机尾涡对飞行安全和机场运行效率的不利影响,本文重点研究近地尾涡的强度消散与涡核运动规律。使用ANSYS中的DM模块建立A320飞机机翼模型,并基于雷诺平均法(RANS)采用RKE涡黏模型对雷诺应力项进行方程封闭,在天河一号超级计算机上采用多段拼接方法开展大尺度脱体尾涡数值模拟实验。基于实验数据分析了地面效应对涡核的下沉趋势和水平运动、涡间距、涡量及涡核速度等的影响,然后在尾涡流场中增加接地竖板,研究在机场跑道端设置人工干扰板时的尾涡运动和消散规律。结果表明,地表附面层能分离出二次涡,其缠绕于主涡周围诱发主涡加速消散并改变尾涡速度场的分布;人工干扰板能有效削弱尾涡的湍流动能,诱导主涡分离出二次涡系,触发涡系产生Rayleigh-Ludwieg相交不稳定性,加快主涡的下沉与迸裂,显著提高尾涡强度消散率。     

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。     

基于大涡模拟的航空器近场尾涡分布特性

为研究尾流特性,降低飞机运行风险,基于数值模拟的研究情况,采用大涡模拟的方法,借助ANSYS软件对尾流进行仿真模拟。首先详细介绍了实验方法、主要实验过程以及相关实验依据,随后对A320特定飞机翼型在无风情况下所产生的尾流进行仿真,得到了尾流刚产生阶段的尾涡,根据实验结果,得出了涡核的发展情况,以及尾涡的侧向、纵向、垂直速度分布情况,并得到相关结论:尾涡存在中心,涡核中心侧向速度、垂直速度大,纵向速度小,涡核边缘速度情况相反。结果表明:尾涡上侧侧向传播速度方向与下侧相反,造成尾涡在空间上的扭曲;尾涡左侧垂直速度方向与右侧相反,使得尾涡在空间上形成上洗区与下洗区;涡量越大,黏性越大,尾涡的纵向传播速度受限。为认识、避让尾涡,进一步降低运行风险,提升空域容量提供了科学依据。     

起旋器产生的涡量场的环量分布特性

在起旋器速度场研究的基础上,论述了平面涡流和柱面涡流的环量分布特性和影响因素,分析了环量分布和涡量分布的关系,得出结论:涡强在靠近管轴线的中心区域变化缓慢,在靠近圆管边壁环量急剧变化;其柱面环量随着离导流叶片距离的变化而变化;导叶片结构参数和布置对涡旋的变化起着主要的作用。研究成果可作为起旋器的设计、旋流输送的研究和计算的参考。     

涡轮桨搅拌槽内流动及尾涡特性研究

采用颗粒成像测速仪（PIV）,实验测定了相同功率下两种不同叶片长度的六直叶涡轮桨（RT桨）的流动场,分析了叶片长度对液相速率、湍流动能和尾涡特性的影响规律,并研究了桨叶离底距离对尾涡特性的影响。结果表明,径向速率分布差别不大,而长桨叶的轴向速率大于短桨叶,最大相差达40%。对于湍流动能,二者在近桨叶区数值相近,但在远桨叶区长叶桨较短叶桨的湍动要强,最大差值30%;对于尾涡特性,上下尾涡发展轨迹、涡量大小是不对称的,下尾涡较上尾涡发展稍快,且涡量较大,涡量大20%左右。     

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 Doppler lidar, 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, Bi-LSTM)网络用于提取序列输入的时间域特征,卷积神经网络(convolutional neural network, CNN)网络用于提取径向速度风场块输入的空间域特征。最后,将融合的时间域和空间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时空特征融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。     

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。     

吊舱对螺旋桨水动力性能的影响

基于单桨式吊舱推进器定常水动力性能的理论计算方法及试验，探讨了吊舱对螺旋桨水动力性能的影响。性能理论计算中螺旋桨采用升力面理论涡格法，吊舱采用面元法，对螺旋桨与吊舱的相互影响进行了时间平均及迭代处理。通过计算分析了吊舱对桨叶载荷分布的影响，以及吊舱引起的伴流分布特性。     

一种水平轴风力机尾流模型及其计算方法

基于现有的尾流模式,提出一种新的尾流计算方法.新的尾流模式将尾流分为近涡区和远涡区,在近涡区,尾涡在选定的扇形截面上解析求出,在其他处通过非线性插值求得.在尾涡中选取有限的离散点数计算诱导速度,减少了计算量,根据流体连续性方程确定尾涡的扩散半径,避免了梢涡半径的不收敛性.通过具体的风力机算例,与刚性尾流模型相比,该方法计算的轴向诱导因子其分布趋势更加合理,验证了该方法的正确性和实用性,为水平轴风力机风轮气动设计和性能计算提供一种有效的尾流模型计算方法.     

密度分层流体中带尾喷拖曳球动量尾迹演化特性实验

采用带L型尾喷管拖曳球方法,模拟水下航行体艇体与冷却水排放等产生的阻力与射流动量尾迹,实验研究了这种组合式动量尾迹在密度分层流体中的演化特性.研究表明,当JD/J〉CD时,这种组合式动量尾迹的演化特性主要受拖曳球阻力动量尾迹控制,形成正卡门型准二维偶极子涡街结构,其中JD为拖曳球产生的阻力动量流量,J是L型尾喷管产生的射流动量流量,CD是球体阻力系数;当JD/J〈CD时,这种组合式动量尾迹的演化特性与（Rej,Frj）的组合条件密切相关,主要受射流动量尾迹控制,在（Rej,Frj）的某些组合下可能会形成反卡门型准二维偶极子涡街结构,但也可能不产生任何形式的大尺度相干结构,其中Rej和Frj分别为射流Reynolds数与Froude数.在系列实验基础上,获得了这种组合式动量尾迹在密度分层流体中能够演化为反卡门型准二维偶极子涡街结构的（Rej,Frj）组合条件,并对不同的Rej取值,获得了准二维偶极子涡街无量纲形成时间及其无量纲涡街平均波长倒数与Frj之间的相关关系,结果表明它们都是不依赖于Rej的,而且与Frj近似为幂指数关系.     

风力机错列布置尾流效应

为在有限土地资源内提高风电场发电效率,减少上风机对下风机尾流效应影响,通过利用Windcube V2多普勒测风仪方法研究了两台风机错列布置状态下风机尾流场变化,比较无尾流状态和有尾流状态下风机的速度场和分析风机之间的尾流影响。结果表明：上风机尾流效应对下风机第二象限区影响最大,轴向速度出现先减小后增加在减小在增加过程;第一象限区出现先减小后增加过程。径向和切向速度幅值和频率出现先增加后减小,径向速度幅值和频率5D截面处最大,3D最小,切向速度幅值和频率5D截面处最大,8D最小。可见上风机对下风机尾流叠加形成复杂的湍流现象,湍流强度促使尾流内外流场融合,从而造成不同速度值的之间的差异。     

Experimental study on the unsteady flow betweenrotors of counter-rotating fan

A more accurate calibration and measurement technique with a single wire velocity measuring instrument is used to study the unsteady velocity between the rotors of a counter-rotating axial fan, and some special concluding remarks of unsteady effects were obtained. The unsteady potential influence of the downstream rotor is a dominant factor; the wake disturbance of the upstream rotor is less important. The radial velocity is mainly affected by the vortex strength of the secondary flow at the upstream blade tip and hub region.These results are important for elucidating the mechanism of unsteady flow in a counter-rotating axial compressing system.     

翼尖涡多阶段演化过程及其对气动力的影响

针对高雷诺数和中等马赫数下翼尖涡的近场演化问题,以NACA0012机翼为对象,采用大涡模拟方法,研究了三组不同的马赫数(0.3、0.45、0.6)和雷诺数(5×10~5、1×10~6、2×10~6)下翼尖涡中主涡和次级涡的演化特性以及其对机翼气动力的影响。研究发现,根据主涡和次级涡特性可将翼尖涡近场演化过程分为三阶段:在第一阶段中二者独立生长,主涡涡核处涡量先增后减,次级涡涡核处涡量和流向速度显著变化;在第二阶段中次级涡运动至机翼上表面与主涡相互作用融合,二者涡核处涡量变化分别趋于平缓并最终相同;在第三阶段中主涡与次级涡融合后的共转涡和新生成的二次融合涡离开机翼进入尾迹。马赫数影响主涡和次级涡涡核处流向涡量及"扭结"现象,但不影响主涡和次级涡涡核处流向速度和融合位置;雷诺数影响主涡和次级涡涡核处流向涡量、主涡涡核处无量纲流向速度以及"扭结"现象,但不影响次级涡涡核处流向速度和融合位置。在整个翼尖涡近场演化过程中,与第一阶段相比,第二阶段通过显著改变机翼上表面压力分布,诱导出强烈的下洗现象,主导影响着机翼的气动力,此外翼尖涡能抑制翼尖附近上表面流动分离,在一定程度上减轻其对气动力的不利影响。