细长锥体大攻角脱体涡的机理研究

论文摘要

在大迎角飞行状态下，细长锥体，三角翼或机身加边条组合体在其背风面会产生一对脱体旋涡。当攻角大到一定程度时，即使来流无侧滑角，原来对称的旋涡也会突然变成非对称的，从而导致很大的侧力，这对高机动飞行器的稳定性和操纵性有重大的影响。本论文主要是通过实验来研究细长圆锥体在大迎角下的绕流流场的特性和细长三角翼加背鳍后对前缘涡的影响，检验相关理论结果。 实验一是对半顶角为10°的圆锥体在低速风洞进行了压力测量实验。实验包括迎角为35°，风速80m／s和迎角为0°～35°，风速30m／s，基于圆锥底面直径的雷诺数分别为0.8×10~6和0.32×10~6。滚转角范围0°～360°，每隔9°测一次值。结果包括所有9个测压截面的周向压力，局部侧向力和法向力以及总的力和力矩，还给出了由压力分布推断出的不同迎角范围内的附面层流动状态。结果表明：在迎角为35°，风速80m／s时，局部侧向力随滚转角的变化接近方波型，所有截面的相位与周期几乎一致；压力分布以及侧向力方向的周期性改变表明了圆锥体背涡相对于迎角平面是一对互为镜面映像的非对称涡；局部侧向力与压力分布具有独立于滚转角而一一对应的关系(不是局限于最大和最小侧向力值)；在风速30m／s，迎角从0°增加到35°的过程中，侧向力系数随滚转角的变化曲线分别呈现(1)零值线；(2)连续波曲线；(3)方波曲线。在所有实验迎角下，所有测量截面的周期和相位都近似相同。侧力系数随滚转角变化曲线呈现出的不同的形态是由于涡的动力不稳定性造成的，本质是无粘的 实验二是对细长体平板三角翼和加上两个不同高度背鳍后的组合体在低速风洞进行了六分量天平测力实验，三角翼后掠角82.5度，背鳍当地高度与模型当地半展长比值分别为0.3和0.6，实验迎角范围12度～32度，包括1.66×10~6和2.33×10~6两个雷诺数。实验结果表明：零侧滑角下，在翼面上发生旋涡破裂前，单独细长平板三角翼的横向力及横向力矩在实验迎角范围内始终为零；加了两个不同高度的低背鳍后，在一定的迎角下，三角翼的横向力及横向力矩开始不为零，流场定常；在更大的迎角下，流场变得非定常。实验结果初步验证了蔡等人关于细长锥体分离涡的稳定性理论，并给出了旋涡失稳后，随着迎角的增大，流场进一步发展的状态。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪言
• §1.1 研究背景及研究目的
• §1.2 细长锥体涡稳定性实验研究的特殊性及采取的解决措施
• §1.2.1 流动对模型顶点附近流动的敏感性
• §1.2.2 风洞湍流度对流动稳定性的影响
• §1.3 本论文所作的工作
• 第二章 圆锥实验设计与实验设备
• §2.1 实验研究的背景和研究目标
• §2.2 实验和计算参数的选取
• §2.2.1 PSI9816电子扫描及数据采集系统
• §2.2.2 滚转角控制系统
• §2.3 模型的介绍
• §2.3.1 模型的设计
• §2.3.2 测压截面和测压孔布置
• §2.4 风洞的介绍
• 第三章 实验方法与分析方法
• §3.1 实验方法
• §3.1.1 实验的条件
• §3.1.2 实验数据的采集
• §3.1.3 实验的程序
• §3.2 数据分析方法
• §3.2.1 坐标轴系
• §3.2.2 有关数据的计算
• 第四章 实验结果分析及总结
• §4.1 20度圆锥在35度迎角,80m/s风速下的压力分布特性实验结果分析
• §4.1.1 局部侧向力和法向力随滚转角的变化
• §4.1.2 压力分布与边界层状态
• §4.1.3 压力与局部侧向力的关系
• §4.1.4 压力与局部侧向力,法向力系数沿锥体轴线的分布
• §4.1.5 总侧向力,法向力系数以及偏航和俯仰力矩系数
• §4.1.6 20度圆锥在35度迎角,80m/s风速下的压力分布特性实验结论
• §4.2 迎角增加对20度圆锥在低速下的流场的非对称性的发展的影响
• §4.2.1 在不同迎角下局部侧向力和法向力随滚转角的变化
• §4.2.2 压力分布与边界层状态
• §4.2.3 流场锥型性分析
• §4.2.4 总侧向力,法向力系数以及偏航和俯仰力矩系数
• §4.2.5 迎角增加对20度圆锥在低速下的流场的非对称性的发展的影响实验结论
• 第五章 带背鳍平板三角翼实验研究
• 符号
• §5.1 实验背景介绍
• §5.2 理论结果的回顾
• §5.3 实验设备及条件
• §5.4 实验模型
• §5.5 测力天平
• §5.6 坐标系和变量
• §5.7 实验结果及分析
• §5.7.1 纵向力、力矩系数比较分析
• §5.7.2 横向力、力矩系数比较分析
• §5.7.3 实验结果讨论
• §5.7.4 实验结论
• 第六章 工作总结和展望
• §6.1 工作总结
• §6.2 工作展望
• §6.3 工作意义
• 硕士期间论文发表及获奖情况
• 致谢
• 参考文献