带减阻杆的高超声速弹丸气动特性研究

为了研究带减阻杆的高超声速弹丸气动特性,基于高精度高分辨率的KFVS气体动力学格式、k-ω SST两方程湍流模型,采用有限体积法求解三维Navier-Stokes方程,并对数值方法的有效性和可靠性进行了验证.在此基础上,对带减阻杆的高超声速弹丸流场进行了数值模拟.研究结果表明:基于高精度高分辨率的KFVS气体动力学格式发展的数值方法可信度较高,能用于弹丸气动特性数值计算;在减阻杆长度一定条件下,随着马赫数的增大,减阻率将提高;在一定的减阻杆长度、马赫数下,随着攻角的增大,全弹总阻力系数、升力系数、俯仰力矩系数将增加;减阻杆基本不会影响弹丸的升力和俯仰力矩.研究结果为高超声速弹丸工程设计提供参考.     

钝体结构倒U形梁气动特性试验和数值研究

为了探索有效的钝体结构气动特性三维数值分析方法,对钝体结构倒U形梁的气动特性进行了风洞试验和数值模拟研究.通过风洞试验得到与结构气动特性相关的气动力系数和颤振导数.利用二维或三维模型分别对结构的气动特性进行了数值模拟研究,并计算了相关的气动参数.计算过程中基于分块迭代耦合方法考虑流体-固体耦合效应,利用自编程序结合CFX软件实现不同物理场间的数据交换和传递,采用快速有效的网格移动控制算法处理移动边界问题.风洞试验测量和数值计算中均考虑了湍流效应,其中数值计算应用了k-ω剪切应力输运模型和分离涡模型.通过风洞试验测量与数值模拟研究可以发现,钝体结构倒U形梁的气动稳定性较差.对气动参数的计算结果表明,本文的三维数值计算方法可以有效地获取钝体结构的气动参数,在风工程领域具有重要应用价值.     

多工况下高超声速飞行器再入时流场的计算

为了弄清典型高超声速飞行器再入时处于连续区的流场状态,采用多组分、考虑非平衡态气体振动激发与化学反应过程的守恒型Navier-Stokes方程组,并用高分辨率TVD格式进行求解,获得了不同飞行工况下飞行器流场的气动热力学(尤其是壁面热流密度)和热-化学非平衡态特性,数值结果与风洞试验及飞行数据吻合较好.通过对多个工况点下流场状态的分析与对比,给出了高超声速飞行器在整个再入过程中的壁面热流密度值、气动力系数,尤其是计算域内热力学非平衡区的分布特性,这对有效地完成飞行器热防护设计具有积极意义.     

轨道再入飞行器气动热力学环境研究

 高超声速飞行器气动热力学环境研究是直接涉及轨道飞行器飞行控制、热防护设计和热安全的关键问题之一。本文借助于多组分、考虑非平衡态气体的振动以及激波与热化学非平衡态效应的守恒积分型Navier-Stokes方程组,使用高分辨率总变差减小格式,计算研究了轨道再入飞行器再入地球大气层的10个飞行工况（飞行马赫数9.7～27.8）,分析了不同工况下轨道再入飞行器弓形脱体激波后流场气动热力学环境特性,得出气动力系数和沿壁面的热流密度分布,与国外相关飞行数据比较,两者吻合较好。     

近空间非规则解体物不同间隔比气动干扰数值分析

针对服役期满航天器再入近空间飞行环境多次解体绕流问题,发展了求解高超声速来流条件下含振动能激发热力学非平衡Navier-Stokes (N-S)方程三维双体解体物绕流问题的数值方法.根据解体物运动分离特点与方位关系,确立了两种不同的解体物双体构型.经高超声速氮气流绕圆柱、钝体计算结果与求解Boltzmann模型方程气体动理论统一算法、风洞试验等比较确认,验证了本文模型算法在求解近空间范围内含振动能激发的多体高超声速绕流问题的可行性和准确性.采用此算法研究了近空间范围内不同飞行攻角、不同间隔比下的双体构型间的气动干扰效应.结果表明,本文所设工况下,当间隔比大于一定值时,解体物之间的相互干扰效应可以忽略.这为气动融合弹道飞行航迹落区数值预报软件研制提供理论设计准则及大量近空间非规则解体物绕流气动干扰数据库.     

低雷诺数k-ε模型钝体绕流场预测能力研究

以1∶3缩比标准MIRA三厢车型为对象,基于合理的网格策略,应用AB、LS、AKN和CHC四种低雷诺数k-ε湍流模型,对其外部绕流场进行数值仿真.以风洞试验数据为准,通过比较气动阻力系数及车身表面压力系数,系统研究四种低雷诺数湍流模型针对处于车体不同部位存在不同运动特征流动的仿真特性,进而明确四种低雷诺数模型针对高雷诺数临地面钝体绕流预测能力的强弱.     

近地鱼形钝体气动阻力特性研究

采用数值模拟与风洞试验两种方法,研究以粒突箱鲀为仿生原型的近地鱼形钝体气动阻力特性.结果表明,近地鱼形钝体确为气动低阻形体,其尾部大收缩角的形态特征及尾迹区相对简单的流场结构共同决定了该形体的气动低阻特性;从气动阻力系数、表面压力系数及尾迹区流场结构三方面对比分析,SST湍流模型的预测值与试验值较为接近.     

基于代理模型的高超声速气动热模型降阶研究

高超声速飞行器气动热的快速准确预测是当前高超声速气动热弹性分析的重要前提. 针对当前高超声速气动热工程计算、高精度数值计算和实验研究均不能很好适应工程应用的问题,结合代理模型的基本思想,提出了基于代理模型的高超声速气动热模型降阶方法,建立了一种高超声速气动热模型降阶框架. 以典型高超声速三维翼面为例,对比拉丁超立方采样方法lhsdesign函数和改进的逐次枚举的拉丁超立方方法SLE,利用相同的设计样本点和代理模型构造方法,SLE方法构造的降阶模型预测翼面温度平均误差、L_∞和e_NRSME均小于lhsdesign方法,SLE采样方法有助于提高降阶模型的精度;对比Kriging和RBF两种代理模型构造方法,Kriging方法构造降阶模型优于RBF方法. 针对典型的高超声速三维翼面气动热预测表明,本文高超声速气动热降阶方法具有较高的精度和效率.      

平头卡车气动减阻设计及试验研究

为改善某平头卡车气动特性，降低风阻，通过卡车整车风洞试验研究不同部件对阻力系数的贡献，发现导流罩、领口板、后视镜、侧裙板对阻力系数的贡献很大. 根据空气动力学原理对导流罩等对阻力系数贡献大的部件进行气动减阻优化设计，并通过试验对减阻效果进行验证. 通过后视镜与导流罩的改型设计，改善卡车前端流场；对货箱尾部导流片进行参数组合设计，改善卡车尾部流场；得到各部件减阻效果较好的组合方案. 风洞试验结果表明，经过气动减阻设计，卡车车身气动性能得到明显改善，相比于初始模型，最佳气动性能组合方案的减阻效果约为7%.     

平头弹超音速尾流对飘带伞气动特性的影响

提出了一种用于超音速抛撒平头子弹药的飘带伞结构的新型超音速伞,研究弹体超音速尾流对伞气动特性的影响.在风洞试验结果验证的基础上,通过建立多套分块结构化网格模型,采用有限体积法和SST湍流模型对单独弹和伞弹分别进行超音速数值模拟,用数值纹影法显示弹体尾流场并进行了分析,得到了平头弹超音速尾流对飘带伞气动特性影响的变化规律.结果表明,弹体尾流对伞气动特性的影响随马赫数的增加而变大,随弹伞间距与弹径比和伞弹径比的增加而变小,随飘带宽度与弹径比的增加先基本保持不变后变大.     

离鳍对方背体气动特性影响的数值模拟和试验

对基于Fiat New Panda的方背体车身,首先对不同高度和长度离鳍下的整车气动特性进行研究,采用模型风洞试验测量了不同工况下的阻力系数和升力系数,同时采用Star CCM+中k-ε湍流模型进行数值仿真.研究结果表明,离鳍高度覆盖整个C柱时,可以有效地降低方背体车身的阻力系数和升力系数;离鳍使流经C柱两侧的气流分离延迟,降低尾流区的湍流强度,降低能量耗散;方背体尾流区得到更多的压力恢复,降低了前后压力差,进而降低车身阻力系数.然后采用验证过的计算方法对不同形状的离鳍进行了数值仿真,发现不同形状的离鳍均可使方背体汽车的气动性能有所提升.但不规则形状离鳍对于汽车尾部气流造成了一定影响,使得其性能表现不如普通矩形的离鳍.     

亚音速下翼型气动性能数值分析

文章基于数值模拟的方法，研究NACA0012翼型的失速及流场参数改变对飞机的气动性能影响；运用SST k-ω湍流模型和Solution Steering收敛方法得出翼型的流场计算参数，并与美国航空航天局(NASA)的试验数据进行对比，验证计算翼型的准确性。结果表明：当Re为5×10⁶和10×10⁶时，最大升力系数随马赫数的变化波动较大，且变化趋势基本相同，最大升力系数出现在Ma=0.20左右，分别为1.46、1.59,是所研究范围飞机的最佳飞行状态；在低Re的情况下，翼型的最大升阻比随马赫数增大而先增大后减小，且翼型的最大升阻比出现位置在马赫数为0.20～0.30;在亚音速条件下，翼型的失速攻角在一定范围内随马赫数变化可以用对数函数进行定量描述。     

高温效应对全动舵飞行器气动热力特性影响

针对高超声速飞行器气动热力特性受高温效应影响问题,基于5组元5反应动力学模型,采用AUSMPW+格式耦合隐式LU-SGS方法求解三维化学反应Navier-Stokes方程,以十字型全动舵导弹为模型,在不同壁面催化条件下,研究导弹气动热力特性受高温效应影响的变化,以更准确地预测导弹在高超声速状态下的气动力及气动热,提高其控制精度及效率。研究表明:高温效应使激波层变薄,明显降低物面温度及热流;壁面催化条件主要影响热流,而对气动力影响微弱;高温效应降低导弹升、阻力系数及舵面效率,使压心位置前移而产生抬头力矩。     

基于CFD分析的弧形翼导弹气动外形优化

为探索将高精度CFD分析引入高超声速飞行器气动外形优化设计的可行性,以6°飞行攻角、6马赫飞行速度下的最大升阻比为目标,引入CFD分析计算气动性能,使用Nelder-Mead可变多面体搜索方法对高超声速弧形翼导弹进行了气动外形优化.计算结果表明,在满足弹翼安全性的条件下,优化外形比初始外形的升阻比有明显提高（约9.22%）,同时阻力系数、弹翼展长和弹翼面积均有不同程度的降低.计算结果充分证明了优化设计的有效性和采用CFD分析的必要性.依据该文结果提出一种前掠弧形翼高超声速导弹气动布局方案.     

前轮扰流板高度对复杂轿车风阻的影响

以较真实的复杂车体为研究对象,分别对旋转与静止工况下,前轮扰流板高度对整车气动阻力的影响进行了数值研究,计算采用定常雷诺时均纳维斯托克斯方程.针对数值计算结果,对静止与旋转车轮周围流场的流动情况、车身阻力积分曲线等数据的详细分析,得到结论:旋转与静止工况下,整车气动阻力系数均随车轮扰流板高度的增加呈现先减小后增大的趋势,前轮扰流板有利于整车气动性能和机舱散热性能的提高,但须对其高度进行优化,合适高度的前扰流板可使整车气动阻力系数较小且机舱进气量较大.     

翼型表面粗糙凸台对气动性能的影响

翼型表面粗糙度是影响翼型气动特性的主要因素之一.基于N-S控制方程,选择Spalart-Almaras湍流模型,在雷诺数Re=2X106的条件下,应用FLUENT软件数值模拟粗糙度对S827翼型气动特性的影响.光滑翼型和表面有凸台翼型在不同攻角下的升力系数、阻力系数和表面压强的分布对比分析表明,分布在翼型吸力面前缘的凸...     

火星超低雷诺数下螺旋桨气动性能研究

火星超低雷诺数环境导致螺旋桨系统气动特性相比于地球环境显著恶化,翼型表面层流分离现象影响了火星螺旋桨的气动特性.为设计出适应火星低雷诺数环境的螺旋桨,深入了解超低雷诺数对翼型气动特性的作用机理,采用Transition SST转捩模型求解非定常可压缩N-S方程的数值模拟技术,对几种适用于低雷诺数环境的翼型进行火星超低雷诺数环境下气动特性模拟计算,从而选取最适应火星大气环境的翼型.结果表明CLF5605翼型具有更好的气动性能.对选定的翼型进行不同超低雷诺数下气动特性模拟计算,揭示了超低雷诺数对翼型气动特性的影响,即在火星大气雷诺数范围内,更高的雷诺数对应更好的气动性能;对雷诺数从100～20 000翼型表面边界层状态进行数值模拟,发现翼型层流分离结构发生显著变化,从低雷诺数下的层流边界层状态,随着雷诺数的增加开始发生层流分离,在翼型尾缘产生层流分离泡,并最终变成湍流边界层.采用最小能量损失的方法设计火星螺旋桨,对其气动性能进行了数值模拟仿真,并对轻量化制造的螺旋桨进行了地面台架实验验证,通过将地面实验结果与CFD数值模拟仿真结果对比,验证了螺旋桨轻量化设计合理性以及数值计算的准确性.     

液体可压缩性对超空化流动的影响

基于多相流模型和运动框架模型构建可压缩超空化流场的数值计算模型,分别使用具有不同物性的流体介质模拟水下跨声速超空化流动,并将数值模拟结果与经验公式结果相互参验,通过对比分析研究在液体可压缩性对跨声速超空化流动的影响.研究结果显示:液体可压缩性对流动参数的分布规律、空化物体的阻力特性和流场的空化情况均有显著影响;考虑液体可压缩性,随飞行速度的增大,射弹的阻力系数将增加,并且在高速工况下超空泡的尺度大幅度减小;可压缩超空化流场中,较300m/s工况,速度为1 900m/s时弹体阻力系数增大约22%,弹尾截面空泡直径减小约30%.     

空射火箭箭机分离过程气动特性仿真

为研究内装式空中发射运载火箭在箭机分离过程中的气动特性尤其是大迎角情况下的气动变化规律,应用计算流体力学(CFD)软件中的k-w模型对火箭气动特性进行了仿真研究,得到火箭气动特性随马赫数和迎角的变化规律,同时对改进后的火箭模型进行气动特性分析.仿真结果表明:发现火箭尾部改进成收敛-扩张型喷管可使火箭下落初期有一个抬头力矩,有利于运载火箭初期快速调整姿态；当快到达预期点火姿态时,由于气动力作用点后移产生的与角速度方向相反的力矩,可迫使运载火箭稳定,从而更容易地捕捉到点火角度,并保证点火时的姿态稳定.     

运输机升阻特性仿真与风洞试验相关性方法

以M3飞机配装某型发动机三维模型为研究对象,采用CFD方法对整机流场进行数值计算。对于带动力短舱模型,利用分区拼接网格技术对发动机内流场和飞机外流场进行网格划分和拼接;在此基础上采用雷诺平均N-S方程,基于S-A湍流模型,开展了不同发动机状态、马赫数及攻角的仿真计算。以FNPR=1.61时,试验获得的升阻系数作为基准,在不同攻角下,获得CFD计算结果的修正因子,结果表明：修正后的数值计算结果与风洞试验获取的升力特性曲线,贴合程度好,在攻角小于14°内误差小于3%;修正后的阻力特性曲线整体趋势与风洞试验一致,误差小于10%,阻力系数都是随攻角的增大而增大,且在攻角大于10°后快速增大。