桨后舵片空泡的分离涡模型模拟及实船舵空泡试验

为深入了解水面高速舰船的舵空化性能,本文采用计算流体力学(CFD)法对考虑船体影响的桨后舵片空泡进行计算,并在国内首次开展了实船舵空泡观测试验。通过对比确定了舵片空泡计算的分离涡模型,研究了螺旋桨和舵空泡发生的先后顺序、舵下端部的空化现象和舵空化的范围,并结合CFD计算和实船试验对不同航速、舵角的舵空泡进行研究,结果表明:在中低海况中的设计航速下,为保持航向航行,水面舰船普通舵表面会先于螺旋桨发生较为严重的片空化现象,且舵面空化范围主要集中在展向0. 1L～0. 6L位置;舵下端部和防腐蚀电极处则先于舵面发生空化。因此,水面高速舰船的普通舵易发生严重空化,而该研究可为研制具有良好抗空化性能的新型舵提供借鉴和参考。     

尾翼楔角对通气超空泡特性影响试验研究

为优化通气超空泡航行体流体动力布局,通过水洞试验,研究了航行体尾翼对通气超空泡航行体流体动力的影响.细致分析了通气超空泡的生成和发展过程,给出了尾翼、尾翼楔角对通气超空泡航行体流体动力的影响规律.试验结果表明:航行体尾翼增大了通气超空泡航行体阻力系数与升力系数.通气超空泡航行体阻力系数与升力系数分别随自然空化数减小而减小.通气超空泡航行体阻力系数与升力系数随通气率增大先小幅增加后减小.尾翼楔角越大,通气超空泡航行体升力系数越大.     

变攻角火箭深弹空泡形态及阻力特性研究

利用Fluent软件对火箭深弹在不同攻角状态下的空泡形态及阻力特性进行研究。通过数值模拟的方式分析空化数及攻角对火箭深弹超空泡形态以及阻力特性的影响。研究结果表明,攻角越大,空泡的不对称性越明显,空泡的稳定性越差;火箭深弹的阻力系数、升力系数及力矩系数均随攻角增加而增大。火箭深弹攻角变化的仿真结果与水洞实验结果基本一致。     

桨后舵片空化的面元法数值计算方法

舵空化不仅会对舵叶产生剥蚀作用,而且还会引起船体艉部振动和噪声增大,针对舵的空化问题,建立了桨后舵片空泡的面元法数值计算方法。通过面元法对螺旋桨的水动力性能计算得到了螺旋桨表面及尾流面的奇点强度,进而得到螺旋桨的尾流场,以此作为舵的来流输入条件,再通过基于速度势的面元法对舵上的片空泡进行计算,最终得到舵片泡的范围和厚度分布。通过该方法,研究了某型船的桨后舵在各航速各舵角的片空化形状,分析了各舵角时舵的空化起始航速,形成了舵空泡的快速计算方法,该方法可以在舰船设计阶段对舵的空泡性能进行评估,为舵的优化设计提供技术支撑。     

基于SST湍流模型的圆盘空化器超空泡特性仿真分析

基于全空化模型和SST k-ω湍流模型,对圆盘空化器的空化流动进行了仿真。首先,分析了平头回转体表面的压力分布,所得结果与Rouse和Mc Nown的试验结果符合良好,验证了文中数值方法的有效性。其次,计算得到了不同空化数下无攻角圆盘空化器的超空泡形态特性和阻力特性,并与经验公式进行比较,二者具有良好的一致性。最后,对带攻角圆盘空化器进行了仿真,分析了攻角对超空泡形态特性和流体动力特性的影响。研究表明空化数和攻角都对超空泡的主要尺寸有影响,而攻角还会对超空泡的对称性和回射流现象产生显著的影响,此外攻角对圆盘空化器的流体动力特性也有比较大的影响,尤其是对升力系数有着直接的影响。研究结果为圆盘空化器在水下航行体上的应用提供了参考。     

超空泡射弹尾翼流体动力特性实验分析

为研究尾翼对超空泡流型发展及射弹流体动力的影响,在高速水洞中进行了通气条件下的超空泡射弹尾翼流体动力特性实验.首先基于高速水洞搭建了通气空化绕流实验测试系统,同时根据射弹基本外形,按照相似理论设计了尾翼测力实验模型,为改变空泡壁面与尾翼的相对位置关系,用以研究穿刺高度对射弹尾翼流体动力特性的影响,实验中采用调整空泡尺寸或模型安装姿态来改变尾翼穿刺高度,最后对实验方案的合理性进行了充分的论证.通过改变测试工况对超空泡射弹尾翼的流体动力特性开展实验研究,得到了不同穿刺条件下尾翼对空泡流型的影响规律及其流体动力特性.研究结果表明:尾翼穿刺空泡以后,在其顶部和侧面生成的二次空泡将显著改变主体空泡的形态,且随着穿刺高度的增加,尾翼对主体空泡的影响更加明显;尾翼的流体动力主要产生于前缘沾湿部位,且随着穿刺高度的增加升力系数和阻力系数均显著增加;在尾翼穿刺空泡的条件下,其阻力系数和升力系数随攻角的增大而线性增加.     

双圆盘空化器射弹通气超空泡形态特性实验研究

基于空泡截面独立扩张原理,提出了一种应用于水下射弹的双圆盘空化器。并在高速循环水洞中对此系列双圆盘空化器的空泡生成特性和形态特性进行实验研究。实验通过改变通气流量系数,观察了不同锥顶角下的通气超空泡形态。实验表明,此系列双圆盘空化器诱导生成的通气超空泡存在前盘优先和后盘优先2种空化状态,二者的过渡发生在锥顶角55°附近;生成稳定通气超空泡的临界通气流量系数值与锥顶角呈正相关趋势,前盘和后盘对空泡生成具有相互抑制作用;且通气超空泡的形态特征量不随通气流量系数增加而持续增加,而是存在一个通气流量系数上限值。     

超空化航行体前部外径对空泡影响的研究

文章基于CFD技术和水洞试验,对超空化航行体通气装置外径尺寸对空化流场的影响进行了研究.数值计算结果表明:航行体的前部外径对航行体超空泡的生成和形态有重要影响,若Rw取值偏大将会使空化流场出现空化不连续现象,甚至改变超空泡的脱体边界.文中以数值计算结果为依据,建立了航行体超空泡可以正常生成的航行体前部外径最大临界值公式.同时设计了三个航行体头部模型在水洞实验室进行了实验研究,实验结果验证了所建立公式的正确性,文中结论为进一步研究人工通气超空化奠定了基础.     

共翼型舵水动力特性的模型试验与数值模拟

国际上新型潜艇的尾操纵面设计,采用了将前部稳定翼和后部转动舵组合成完整翼型剖面的共翼型布局方式。为了研究这种共翼型舵与常规舵在水动力性能上的差异,运用模型试验和数值计算模拟方法,对共翼型舵和常规非共翼型舵的水动力和流场进行了对比研究与分析。结果表明:共翼型舵在小舵角工况时能够保持舵翼结合部流线的光顺,舵角5°时共翼型舵总升力比非共翼型舵总升力增加了65.3%;但在大舵角工况,共翼型舵叶背容易发生流动分离形成分离涡,导致升力性能变差,舵角25°时共翼型舵总升力比非共翼型舵总升力减小了9.2%。在小舵角时,共翼型舵尾流区的流场湍动能较低,流动稳定性更好。     

民用飞机前缘增升装置气动特性试验研究

在民用飞机增升装置低速半模风洞试验的基础上,针对内缝翼和短舱导流片进行了前缘增升装置气动特性试验研究,分析了内缝翼长度对增升装置升力系数的影响,比较了短舱导流片在起飞和着陆状态下的气动特性.试验结果表明,增升装置线性段升力系数不受内缝翼长度的影响,失速区升力系数和CL max随内缝翼长度增加而增大;模型安装短舱导流片后,最大可用升力系数、CL max和失速迎角明显增加,升阻比和俯仰力矩特性在失速区也得到了改善,且线性段气动性能没有发生大的改变.     

阻力方向舵在飞翼式高空长航时无人机中的应用

根据飞翼式高空长航时无人机的风洞实验结果,分析了全机尤其是阻力方向舵的气动和操稳特性,据此采用经典方法设计了阻力方向舵的控制律,提出用阻力方向舵进行航向控制和速度控制的方案,并指出由于存在操纵耦合,有必要进行阻力方向舵和升降舵交联控制。非线性飞行仿真结果表明,阻力方向舵具有满意的航向和速度操纵能力,采用交联控制后速度响应更平稳,并可减小33的高度偏差和56的俯仰角偏差。     

Effect of attack angle change on hydrodynamic character of supercavitating bodies

A series of experiments has been done in a moderate-velocity cavitation tunnel to investigate the effects of attack angle change on hydrodynamic characters of supercavitation. Hydrodynamic characters of the aft section at various attack angles were compared. The investigation shows that hydrodynamic forces of the aft section are dependent of supercavity shapes at different attack angles,and the magnitude of hydrodynamic forces of the aft section varies with the change of attack angle. When the aft section is in the fully wetted case,the drag coefficient changes little. Lift and moment coefficients both increase with the increased attack angle,and the increase magnitude is not large. When the aft body planing is on the cavity boundary,the drag coefficient of nonzero attack angle is larger than that of zero attack angle,and the maximal lift and moment coefficients both vary obviously with the increased attack angle. In the case that the body is fully enveloped by cavity,the drag coefficient,lift coefficient and moment coefficient are nearly constant with the change of attack angles.     

Aerodynamic Analysis and Simulation of Flapping Wing Aerial Vehicles on Hovering

In order to design and verify control algorithms for flapping wing aerial vehicles(FWAVs),calculation models of the translational force,rotational force and virtual mass force were established with the basis on the modified quasi-steady aerodynamic theory and high lift mechanisms of insect flight.The simulation results show that the rotational force and virtual mass force can be ignored in the hovering FWAVs with simple harmonic motions in a cycle.The effects of the wing deformation on aerodynamic forces were investigated by regarding the maximum rotational angle of wingtip as a reference variable.The simulation results also show that the average lift coefficient increases and drag coefficient decreases with the increase of the maximum rotational angle of wingtip in the range of 0-90°.     

家燕翅展翼型的气动特性

对家燕滑翔时的后掠形姿态翅翼和完全展开形姿态翅翼进行了三维重构,获取了每种形态下4条不同展弦比的翼型。利用FULENT里的S-A模型对获取的翼型进行了气动特性模拟分析。结果表明:两种姿态下的翅翼最大升阻比攻角范围均在3°～5°,展弦比在35%处的翼型具有最优的气动特性。分析指出:后掠形姿态翅翼展弦比在35%处的翼型前缘半径较小,最大厚度位置靠近后缘且翼型线性曲率变化较慢,是产生较优气动特性的原因。     

风力机翼型转捩与失速特性的数值计算

针对三种NREL S系列风力机专用翼型,分别采用Xfoil和Fluent软件对流动转捩和失速特性进行了数值研究,得到了翼型升力系数与阻力系数随攻角变化关系,并将其与实验数据进行了比较。结果表明:数值计算结果与风洞实验数据吻合很好,表明数值计算在翼型二维气动性能计算方面有较高可信度。对于相对厚度大于0.15的翼型,在中低雷诺数下,通常会发生后缘分离,达到失速角时,升力系数缓慢减小。     

飞翼式碟形水下滑翔机流动与运动特性分析

为提高碟形水下滑翔机的水动力性能和滑翔经济性,提出一种新型飞翼式碟形自主水下滑翔机,采用计算流体力学中SST(shear stress transmission)湍流模型对其流体动力特性进行分析,得到其在0°~21°小攻角范围内升力系数、阻力系数、俯仰力矩系数以及升阻比的变化规律.并与模型实验结果进行对比,得出数值模拟结果与实验结果具有良好的一致性,验证了数值计算方法的有效性,且与传统水下滑翔机相比,飞翼式碟形自主水下滑翔机具有更优的综合水动力性能和滑翔经济性能.对于其运动特性,则基于多体动力学理论建立了该型水下滑翔机的动力学与运动学模型,并考虑了其内部纵向、横向调位滑块移动速度以及浮力驱动系统压载质量变化速度等调节变化的影响,代入数值仿真所得水动力系数,对该型水下滑翔机锯齿滑翔和螺旋滑翔等两种典型水下滑翔运动进行运动仿真.结果表明,该型水下滑翔机具有一定的运动稳定性,从理论上验证了其水下滑翔的可能.     

隐身反设计下飞翼布局气动与隐身综合设计

为同时获得良好的气动和隐身性能,基于双发动机布局下飞翼无人机大鼓包式机身,采用隐身反设计思路,开展了飞翼布局气动与隐身综合设计与分析研究,提出了一种减小翼型前缘半径的机身前缘类"鹰嘴"形飞翼布局优化构型.分别采用CFD(计算流体力学)方法对M6机翼进行气动数值模拟方法验证,以及基于FEKO软件中MLFMM(多层快速多极子方法)和PO(物理光学法)对圆柱体和某飞翼布局缩比模型进行隐身数值计算方法验证,并利用该方法获得了飞翼布局无人机气动与隐身综合特性.结果表明:建立的气动与隐身数值模拟方法计算结果与实验吻合较好,数值计算方法是可靠的;基于隐身反设计思路构建的机身前缘类"鹰嘴"形飞翼布局设计不仅纵向气动特性略微提升,且前向(-25°~25°)隐身性能明显提高,充分表明了隐身反设计思路的有效性;前缘类"鹰嘴"形设计主要影响机身表面压力分布,并有助于提升升阻特性;前缘类"鹰嘴"形设计比传统钝形前缘设计在不同频率和不同滚转角下隐身特性均有所提高.     

大跨度双层桁架主梁三分力系数识别

采用风洞试验与计算流体力学（CFD）相结合的方法,对某公铁两用斜拉桥双层桁架主梁在?10°~10°风攻角下的三分力系数进行研究. 利用风洞试验技术测试成桥及施工阶段不同风攻角下主梁的气动力,并识别相应的三分力系数;基于标准k-ε双方程湍流模型建立三维数值计算模型,识别不同风攻角下三分力系数结果,并将其与风洞试验结果对比;结合2种方法研究雷诺数、桥面附属物和公路及铁路交通状况等因素对主梁气动特性的影响. 结果表明低风攻角下雷诺数对主梁气动特性影响较小,可忽略不计,并提出了高风攻角下识别双层桁架三分力系数最低雷诺数的建议值;桥面附属物对主梁阻力系数影响显著,下层桥面附属物有效降低了主梁升力系数;公路车辆对主梁气动系数影响较小,迎风侧列车对主梁阻力系数、升力系数影响显著,背风侧列车对主梁力矩系数影响显著.