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非定常空气动力学
2015年09月01日 22:12      浏览:

课题组成员:王延奎,邓学蓥,马宝峰

A.     非常规机身布局大迎角机翼摇滚及流动机理研究

针对新一代战斗机普遍采用的非常规机身布局形式,研究了其在大迎角下的机翼摇滚运动现象及运动过程中复杂绕流流场的演化、发展规律,并在此基础上揭示了形成机翼摇滚运动形态的主控绕流流型及相应的流动机理。

Re=1.87×105的条件下,通过自由摇滚实验,揭示了存在的机翼摇滚问题,得到了运动特性随迎角的演化过程,并给出了迎角分区。下图中圆点是稳态运动滚转角时间历程的平均值,用来表示平衡位置;柱状条带是稳态运动滚转角时间历程的标准偏差,表示绕平衡位置的振动幅度,用来反映振荡的剧烈程度;虚线连接正负两个平衡位置,表示运动过程中模型可跨越0滚转角,完成绕两个平衡位置振荡的切换。机翼摇滚运动出现在20º≤αº≤65º的迎角范围内,共有3种典型运动形态,分别是偏离微振、单极限环振荡和双极限环振荡。

自由摇滚运动随迎角演化的分区(Re=1.87×105

通过静态测力实验发现,出现摇滚运动的迎角下,模型在0滚转角处表现出横向静不稳定性;结合测压和PIV实验发现,机身非对称涡诱导了较强的背风侧机翼涡结构,机翼非对称涡流场导致了横向不稳定性的产生。此种不稳定流场结构促使模型偏离,从而导致摇滚运动的产生。模型偏离后,向滚转力矩稳定平衡点运动,而稳定平衡点附近机翼背风面流场结构的差异导致了运动形态的差别:当流场结构基本没有变化时,运动表现为偏离微振,平衡位置为滚转力矩稳定平衡点;当流场结构出现稳定流场切换时,运动发展为极限环振荡。

B.      模拟Herbst机动的风洞虚拟飞行试验装置

Herbst机动是90年代初由美国研制的X-31验证机首先实现的,该机动使得X-31可以在475英尺半径内实现快速转弯,而通常飞行状态下则需在2700英尺半径下才能实现转弯。在飞行过程中纵向快速拉起到大迎角过失速飞行状态及在稳态过失速飞行中绕速度轴旋转(锥子运动)是Herbst机动中两个最为关键的动作。本课题组的“D4风洞模拟Herbst机动的风洞虚拟飞行试验装置就是为模拟上述两部分关键动作而设计开发的。该试验装置主要包括快速拉起子系统、圆锥运动子系统,摇滚支杆系统,如下图所示,主要技术指标如下:

单独快速拉起运动,拉起速度最大可达75°/s,拉起迎角范围0°~90°,也可静态变迎角;单独圆锥运动,测试的锥动频率最大达到1.5Hz,其中圆锥角度变化范围20°~80°,角度间隔为2.5°单独自由摇滚运动,支杆摩擦力矩7.84×10-3Nm,是现有自由支杆摩擦力矩的2.08倍,基本满足要求;单独强迫摇滚运动,在得到自由摇滚时间历程曲线的基础上,可复现模型自由摇滚运动形态,具有电机直接驱动和电机驱动变角块带动模型两种方式;可模拟飞行器的Herbst机动过程,快速拉起到一定迎角然后做圆锥运动,快速拉起与圆锥运动的时间历程在各速度限制范围内可调;可模拟飞行器在Herbst机动过程中的自由摇滚运动,并能够实时记录摇滚时间历程;可模拟飞行器在Herbst机动过程中的强迫摇滚运动,复现Herbst机动过程中的自由摇滚运动,并能够进行流场数据的锁位测量;快速拉起运动、圆锥运动、强迫摇滚运动根据实验需求可以单独开展或者组合实现更多运动形态。

D4风洞Herbst机动试验装置系统设计图及现场图

C.     细长体大迎角旋涡的低频振荡研究

通过实验和数值模拟方法,发现并证实在充分大迎角下,细长体头部存在低频大振幅的涡振荡现象,该现象表现为左右前体涡的交替振荡,但并不脱落,振荡的减缩频率也远低于卡门涡街脱落频率,涡振荡诱导了很大的脉动侧向力。

针对半球头前体的翼身组合体自激振荡,研究表明动态迟滞对圆头细长体自激振荡的形成起关键作用。针对前体涡诱导的细长尖头翼身组合体极限环自激振荡现象,发展了一种基于频谱分析的运动建模方法,理论预测与实验值符合较好。

不同攻角下的流动差别:(a) 50°(b) 70°

 

 

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