传统的一阶线性叠加的气动力模型不再适用于现代高机动性飞行器的非定常气动力建模,为了考察更高阶的气动力模型对非定常迟滞效应模拟的适用程度,本文采用自主发展的求解器,分别计算了NACA0012翼型在跨声速来流条件下做单自由度强迫沉浮、俯仰以及沉浮/俯仰两自由度耦合运动的非定常气动力的变化规律。然后在Etkin气动力模型的基础上,探讨了不同类型的高阶的气动导数在非定常气动力建模中的作用。研究结果表明:将Etkin气动力模型中升力和俯仰力矩对迎角的导数项由一阶拓展至二阶就可以较为精确地重构出翼型在强迫运动各阶段的非定常升力和俯仰力矩。

针对展向自适应机翼的气动特性随折叠角度变化的问题,以经典翼型NACA0012为基础,设计了内外段比例为7∶1的展向自适应机翼。基于结构化网格和雷诺平均N-S方程,采用自主开发的流场求解器,研究了自适应机翼在不同速域、不同折叠角度情况下的总体气动性能以及操纵特性。从升阻比和机翼表面压力分布两个方面,对比了外段机翼在不同折叠角度下的总体气动效率以及折叠角度对流场特性的影响规律。研究结果表明,自适应机翼的对称变形在合适的折叠角度下可以使亚声速和超声速飞行条件下的气动效率大幅增加,增幅高达28%;亚声速飞行时的高气动效率来源于升力增加和阻力减小的共同作用,而超声速时的高气动效率主要来源于阻力的减小;在跨声速飞行条件下的气动特性随折叠角度变化不明显;非对称变形可以产生明显的用于方向操纵的滚转力矩和偏航力...

针对激波主导流动下弹性壁板的热气动弹性稳定性分析问题,建立了基于当地活塞流理论的分析模型,并用数值仿真方法来验证其正确性.首先基于Hamilton原理和Von-Karman大变形理论,建立壁板的热气动弹性运动方程,其中假设壁板受热后温度均匀分布,激波前后区域的气动力模型采用当地一阶活塞流理论;利用Galerkin方法将具有连续参数系统的偏微分颤振方程离散为有限个自由度的常微分方程;基于李雅普诺夫间接法将非线性颤振方程组在平衡位置处进行线化,再用Routh-Hurwits判据来判断线性系统的稳定性,从而来推论出非线性颤振系统的气动弹性稳定性.在时域中采用龙格-库塔法对非线性颤振方程进行数值积分,得到壁板非线性颤振响应的时间历程,与理论分析结果进行对比.研究结果表明,壁板受到斜激波冲击时,更容易发生颤振失稳,并且激波强度越大,极限环幅值和...

近年来高超声速飞行器气动弹性(尤其是热气动弹性)问题的关注度不断增强,相关内容已成为学术界的重点研究方向。本文旨在总结高超声速气动弹性问题的近期研究成果,并对进一步发展做出展望。首先从三个方面综述了气动弹性的计算方法:气动力的计算、常温下气动弹性求解方法及热环境下气动弹性的研究方法。然后,按照工程实际中出现的相关问题,将高速飞行器的热气动弹性问题分为与外流相关的飞行器热气动弹性问题以及与内流道相关的热气动弹性问题,分别探讨其研究情况及未来发展。其中,比较详细地论述了围绕发动机相关的热气动弹性问题(包括冲压发动机内部的壁板颤振和火箭发动机喷管的气动弹性),指出该问题有可能成为未来一个重要的研究范畴。

研究了超声速物面振动中气动力非线性的主要来源,分析了影响非线性效应的主要因素。首先建立考虑激波膨胀波的活塞理论,将其计算结果与活塞理论、Euler方程的结果进行对比,明确了活塞理论高阶项所代表的物理意义。同时研究活塞理论在具有单侧气流的壁板振动以及具有双侧气流的物面振动中的应用,分析这两种不同研究对象的气动力非线性效应。探究了振动频率对气动力非线性的影响规律,重新标定了线性活塞理论的应用范围。得出主要结论:(1)超声速物面振动过程中产生的激波膨胀波是气动力非线性的主要来源,壁板模态的对称性加剧了这种非线性效应;(2)在具有双面超声速气流的物面振动中,气动力的非线性效应显著减弱;(3)活塞理论的高阶项的物理意义是激波膨胀波带来的非线性效应,这种非线性效应随振动频率的增长先减弱后加强。

针对低雷诺数微型飞行器的气动布局,设计出类似雨燕翅膀的一组具有不同前缘钝度的中等后掠(Λ=50°)仿生三角翼.为了定量对比研究三角翼后缘收缩产生的气动效应,设计了一组具有同等后掠的普通三角翼.为了深入研究仿生三角翼布局的前缘涡演化特性以及总体气动特性,采用数值模拟方法详细地探索了低雷诺数(Re=1.58×104)流动条件下前缘涡涡流结构和气动力随迎角的变化规律.分析结果表明,前缘钝度和后缘收缩对仿生三角翼前缘涡的涡流强度和涡破裂位置有显著影响.相对于钝前缘来说,尖前缘使仿生三角翼上下表面的压力差增大,涡流强度也更大,增升作用也更显著.相对于普通三角翼构型,仿生三角翼的前缘斜切使其阻力更大,但后缘的收缩使涡破裂位置固定在此位置,因此整个上翼面保持低压,总的升力更大.由于小迎角时升力增大更明显,因此仿生三角翼...

作为一种新型的气动布局形式,排式布局对低雷诺数流动具有较高的气动效率,适用于柔性可充气飞行器,比如充气式飞机或是高空飞艇。但是,由于前、后翼之间强烈的气动干扰现象,目前对此类布局的气动特性认识还十分有限。为了充分理解这种布局的气动特点,在前期风洞试验的基础上,开展了数值模拟工作,详细地研究了低雷诺数情况下翼型厚度、表面波纹状外形及后翼偏转角度等几何因素对此类飞行器气动特性的影响规律。计算结果表明,在计算的迎角范围内,排式布局能通过前后翼之间的气动干扰延缓或抑制机翼后缘处的流动分离,从而提高整体气动效率,因此排式布局在未来很适合应用于小型无人机或是飞艇等可充气式飞行器构型上。

以钝化锥导乘波体为研究对象,开展了高焓激波风洞测热试验以及高温化学非平衡气动加热数值验证,对乘波布局滑翔飞行器前缘线和下壁面热流分布特征进行了研究。结果表明:乘波布局飞行器表面热流主要集中于头部驻点及其附近的前缘小范围区域内;在0°~6°的迎角范围内,迎角的改变基本不会对前缘线热流产生太大影响,但会导致下壁面热流明显增加;而侧滑角即使在0°~4°的范围内变化,也将导致前缘线迎风一侧热流明显增加。

为了定量地研究跨大气层轨道飞行器在不同飞行条件下俯仰方向的动态特性,在Etkin气动力模型的基础上,详细研究了飞行马赫数、减缩频率、振动幅值、平均迎角等因素对此类飞行器纵向动态特性的影响规律。研究结果表明,平均迎角和飞行马赫数决定了流场的基本特性,所以对气动导数的影响很大;而减缩频率和振动幅值决定了非定常扰动的强弱,影响非定常气动力的大小,决定非定常迟滞效应的强弱。对类似X-37B的跨大气层轨道飞行器来说,平均迎角越大,机身后方背风区的涡流作用越强,纵向稳定性越强。在亚声速范围内,随着飞行马赫数增加,纵向稳定性增强,在超声速范围内,随着飞行马赫数增大,纵向稳定性减弱。振动幅值大小虽然影响了流场的形态,但对气动导数的数值大小没有明显影响。振动频率对动态特性的影响也不明显。希望研究结果可为中国未...

设计并加工了NACA0012翼型能在不同迎角下作沉浮、俯仰两自由度的振动装置，在低速风洞中对其进行气动弹性测试，得到不同速度、不同迎角下的气动弹性响应。通过对不同速度下、不同迎角下的气动弹性响应进行分析，呈现出明显的非线性特征，得到了迎角对翼型颤振临界速度的影响。