空气动力学学报

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2023年第41卷第2期

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研究论文

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2023年2期pdf合集

2023, 41(2).

摘要(43) PDF(26)

摘要:

研究论文

宽包线吸气式高超声速飞行器外形优化研究

王健磊, 牟桓, 魏震, 王强, 龚春林

2023, 41(2): 1-11. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0326

摘要(2868) HTML (90) PDF(67)

摘要:
针对吸气式宽包线高超声速飞行器的气动优化问题，基于任务要求建立了基于多点权重分配的气动外形优化模型，并采用“CFD+准一维流”方法开展了气动性能分析。为兼顾气动外形优化的效率与精度，通过改进现有的并行加点策略，发展了一套基于代理模型与梯度算法的分层优化框架，并采用函数算例对改进后的加点策略进行了验证。对吸气式高超声速飞行器的气动外形进行了分层优化，在满足各学科约束的情况下使飞行器在各个优化评估点处的气动性能均有所提升。

面向飞行试验的多源气动数据智能融合方法

王旭, 宁晨伽, 王文正, 张伟伟

2023, 41(2): 12-20. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0428

摘要(2370) HTML (96) PDF(59)

摘要:
风洞试验和飞行试验是飞行器研制过程中进行气动性能分析与优化设计的重要手段，然而，在高超声速飞行条件下，真实气体效应、黏性干扰效应和尺度效应的复杂变化给气动数据精准预测带来巨大挑战。为了提升天地气动数据一致性，针对某外形飞行试验数据开展了典型对象的天地气动数据融合方法研究。结合数据挖掘的随机森林方法，本文提出了一种面向飞行试验的数据融合框架，通过引入地面风洞试验气动数据，实现了对复杂输入参数的特征分析与特征排序，进一步对不同飞行时刻下飞行试验的气动数据开展了交叉验证。结果表明随机森林的机器学习框架对风洞-飞行试验数据关联具有较好的预测与外推能力，可以有效提升气动数据预测精度，相关研究为复杂环境下气动数据多源融合提供了思路。

前缘缝翼开缝改善增升装置失速特性研究

刘中元, 褚胡冰, 陈迎春, 毛俊, 张彬乾

2023, 41(2): 21-28. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0392

摘要(2713) HTML (62) PDF(47)

摘要:
大型民机高升力构型多采用多段式增升装置，大迎角飞行时，前缘缝翼上表面可能出现流动分离，造成缝翼尾迹流区迅速增厚，加剧缝翼与下游翼段气流的交混作用，导致各翼段环量减小、升力下降，最终发展为失速。针对多段式增升装置大迎角失速问题，本文基于有限体积RANS 方法，研究了前缘缝翼开缝改善增升装置失速特性的作用机理与参数影响规律。研究发现：前缘缝翼开缝可有效推迟缝翼流动分离的发生，抑制缝翼尾迹区发展及缝翼与下游翼段附面层气流的交混，减缓对襟翼流动的不利影响，显著改善增升装置失速特性；开缝位置及射流出口方向对前缘缝翼流动的控制效果影响明显，应根据前缘缝翼形状和工作状态合理设计前缘缝翼开缝方案，以便获取更好的气动性能收益。

声涡相互作用下翼型分离泡内流动动力学特征

史泽奇, 刘勇, 钟伯文, 汤崇辉

2023, 41(2): 29-37. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0308

摘要(2591) HTML (69) PDF(36)

摘要:
基于LBM-LES方法对中等雷诺数下NACA0012翼型气动噪声进行了直接模拟，得到了声涡相互作用下气动噪声声场和流场，分析了剪切层内流体动力学特征。结果表明：翼型壁面附近剪切层内，扰动从分离前 T-S不稳定分离后向K-H不稳定转变，K-H不稳定对扰动的增长起重要作用；分离泡内湍流强度显著增长直至转捩成湍流，但流动再附后，湍流强度有所降低；750 Hz的大尺度旋涡结构是在分离泡内形成并发展成稳定结构，而2次和3次谐波频率对应的旋涡结构形成于流动转捩后，在分离泡外发展成稳定结构，说明远场2次及3次谐波纯音噪声和750 Hz主纯音噪声生成机理不同。

非结构高阶CPR方法的子单元限制中的问题单元侦测

石国权, 燕振国, 朱华君, 马燕凯, 贾斐然

2023, 41(2): 38-52. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0406

摘要(2466) HTML (71) PDF(24)

摘要:
重构修正（correction procedure via reconstruction, CPR）是一种计算高效、模板紧致、适用于非结构网格的高阶方法，但是无法处理流场含有较强间断的问题。针对这个问题，前期基于二阶非等距非线性加权插值的激波捕捉格式以及非结构四边形网格，发展了高阶CPR方法的一种子单元限制技术。该技术首先通过侦测因子确定出问题单元，然后将问题单元基于CPR求解点划分成非等距子单元，并在子单元中采用二阶激波捕捉格式进行计算。这种子单元限制技术保证了主单元和子单元的求解点重合，可以十分方便地处理主单元和子单元之间的数据交换。问题单元的侦测是该子单元限制技术的关键步骤，侦测出的问题单元的数量以及分布情况都将会影响数值结果。基于此，本文同时考虑了单元侦测和分维侦测两种问题单元侦测方式。通过激波管问题、Shu-Osher问题、双马赫反射问题、激波-旋涡干扰等典型算例对比分析了TVB、MDHE和JST侦测因子对数值格式分辨率的影响。研究结果表明：分维侦测能够减少问题单元的区域，进而提高分辨率。

基于PHengLEI的非稳态电热除冰过程仿真

刘宗辉, 卜雪琴, 林贵平, 李伟斌

2023, 41(2): 53-63. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0353

摘要(2433) HTML (83) PDF(30)

摘要:
为了填补国产自主可控CFD软件风雷平台的防除冰功能开发的空白，本文建立了电热除冰计算模型、计算方法和非稳态导热模型，并在国家数值风洞风雷平台（PHengLEI）基础上，集成了非稳态电热除冰计算和非稳态导热计算功能。通过与主流商业CFD软件仿真结果和实验数据的对比，验证了导热和非稳态电热除冰程序的准确性。针对某飞行工况进行了电热除冰计算，通过对表面溢流水、表面温度、结冰量的计算结果分析，发现合理布局加热片、设计加热热流密度和电热除冰控制率，可实现电热除冰系统的安全运行和能源的高效利用。

高速航行体齐射出水过程的空化与运动特性研究

周东辉, 贾会霞, 施红辉, 王焯锴

2023, 41(2): 64-74. doi: 10.7638/kqdlxxb-2022.0122

摘要(2337) HTML (33) PDF(18)

摘要:
基于求解N-S方程的VOF方法，引入Schnerr-Sauer空化模型、SST k-ω湍流模型和6DOF刚体运动模型，通过重叠网格技术建立两发射弹齐射出水的数值计算模型，并进行了数值方法的有效性验证。研究了不同发射无量纲时差下射弹齐射出水过程的超空泡演化特性、射弹的弹道轨迹、偏转角变化和减阻性能，分析了超空泡流场的干扰机理。研究结果表明：同步发射出水时，射弹超空泡内侧扩张受到抑制，在出水阶段超空泡发生了非对称性溃灭；两射弹的弹道稳定性较差，其偏转角的最大值达到了3.1°；对于异步发射出水，首发射弹超空泡前沿轮廓基本对称，而次发射弹超空泡前沿轮廓内侧壁面发生膨胀，失去了对称性，随着发射时差的增大，次发射弹超空泡内侧前沿轮廓曲率变小。首发射弹在出水过程中能维持良好的弹道稳定性，次发射弹在压差作用下向内侧偏转，运动轨迹也向内侧偏移，运动过程中次发射弹的最大无量纲水平位移和最大偏转角随发射时差的增大而减小。相比异步发射出水，同步发射条件下射弹的无量纲竖直速度衰减略快。

CKDO一方程模型计算高超声速横流转捩

王浩, 徐晶磊

2023, 41(2): 75-82. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0296

摘要(2521) HTML (90) PDF(31)

摘要:
高超声速横流转捩集湍流-激波作用、可压缩、横流、转捩等难题于一身，基于雷诺平均N-S方程（RANS）的转捩建模是一项挑战。本文采用CKDO-tran计算高超声速横流转捩的经典标模—HIFiRE-5，分可压缩性效应、雷诺数效应和迎角效应进行评估，发现：不考虑可压缩效应的KDO-tran模型无法给出准确的预测，而不引入特定转捩机理，CKDO-tran仍然可以预测一系列雷诺数工况的高超声速横流转捩。迎角0°时，CKDO-tran可以较好地预测出双肺叶转捩图像，迎角为4°时，CKDO-tran产生的转捩线提前，但给出了与实验相似的转捩图像，具有进一步开发的潜力。对4°工况进行来流湍流度敏感性的研究发现，随着来流湍流度减小，CKDO-tran产生的转捩线逐渐后移，并且转捩图像与实验的相似性逐渐减弱直至消失。通过对迎角效应进行的分析，推测出来流-激波相互作用的建模是消除迎角效应的关键。

牛角岩平拉索桥风致振动现场调研与分析

何旭辉, 汪震, 刘路路, 吴雅歌, 敬海泉

2023, 41(2): 83-89. doi: 10.7638/kqdlxxb-2022.0044

摘要(2320) HTML (26) PDF(10)

摘要:
颤振是大跨度桥梁结构设计的控制性因素之一，一直备受关注；而实桥发生颤振的记载十分稀少，现场音视频记录和振后调研资料十分珍贵。2021年5月1日下午2时许，贵州省思南县香坝镇牛角岩地区两座平拉索桥发生剧烈颤振。本文通过振后桥梁状况的现场调研，发现大幅的弯扭耦合颤振使得桥梁各个构件受损严重，其中1#桥背风侧承重索和稳定索明显伸长，2#桥承重索与稳定索发生断裂；1#桥背风侧主梁低于迎风侧，主梁产生相对高差并发生倾斜，相对高差与扭转角由两岸向跨中不断增加，跨中最大值分别为0.480 m和4.58°。通过对比现场测量与有限元模型分析发现：竖弯与扭转频率在颤振发生前后变化较小，而横摆频率显著减小。现场视频记录分析表明，桥梁发生典型的弯扭耦合颤振，竖向振幅约为5.2 m，扭转振幅约为52°，竖向与扭转振动相位差约为90°；颤振发生时，主梁竖向振动的动能、扭转振动的角动能与势能不断转换，当动能最大时，角动能与势能最小。

输电塔钢管涡激振动控制措施的风洞试验研究

夏谦, 杜海, 冯衡, 高彬, 黄铭枫

2023, 41(2): 90-97. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0377

摘要(2359) HTML (25) PDF(7)

摘要:
为了深入研究输电塔钢管的涡激振动特性，对安装不同设计参数扰流板的输电塔钢管进行了风洞试验。验证了输电塔钢管涡激振动临界风速和最大振幅的预测公式，并得到了扰流板外形、间距、长度、肋高等参数对输电塔钢管涡激振动抑振率的影响规律。在此基础上综合考虑材料成本、制作安装成本和抑振效果对不同设计参数下扰流板的抑振性价比进行了评估，最后基于帕累托最优解法选取了考虑成本后的扰流板最优设计方案，研究结果为扰流板设计参数的取值提供参考。

中央开槽箱梁颤振非线性特性和振动分叉现象及其机理

钱程, 朱乐东, 朱青

2023, 41(2): 98-109. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0302

摘要(2464) HTML (58) PDF(9)

摘要:
为探究超大跨度缆索承重桥梁在大攻角范围内的颤振稳定性，通过节段模型风洞试验对中央开槽箱梁在风攻角±10°范围内的颤振非线性特性和振动分叉现象及其机理进行了研究。结果显示：当风攻角为−2°～10°时，节段模型系统未发生颤振；当风攻角为−3°和−4°时，观察到了含振动分叉的非线性颤振现象，且起振幅值随风速的增加而减小；当风攻角为−5°～−10°时，颤振无需人工激励就会自动发生。两种非线性颤振均为弯扭耦合颤振，并最终做极限环振动。非线性颤振的起振风速随着负攻角的增大而减小，耦合程度随着折减风速的增加而增加。系统等效阻尼比-振幅曲线可以很好地解释非线性颤振机理，曲线的零点为系统平衡点，其中斜率为正的零点为稳定平衡点，对应稳态振幅；斜率为负的零点为不稳定平衡点，对应起振振幅。对于含振动分叉的非线性颤振，系统存在一个稳定平衡点和一个不稳定平衡点；而对于无需人工初始激励的非线性颤振，系统只有一个稳定平衡点。