非定常自由来流对模型动态气动特性影响的实验研究

论文摘要

随着对战斗机性能要求的不断提高,过失速机动能力已经成为下一代战斗机的重要性能指标之一。虽然关于过失速机动飞行中非定常气动力的研究已进行多年,但是过去的研究,主要集中在飞行姿态快速变化产生的非定常气动力上。然而,战斗机在完成过失速机动飞行时,飞行速度也将产生较大变化,因此在研究战斗机过失速机动飞行中的动态气动特性时,考虑飞行速度变化产生的影响是十分必要的。本文在南航非定常风洞内,以NACA0012翼型和三角翼模型为研究对象,借助动态气动力测量技术、动态压力测量技术、流场显示和PIV测量技术,对非定常自由来流中的二维翼型动态气动特性,非定常自由来流中的静态三角翼气动特性,以及非定常自由来流与三角翼俯仰运动耦合作用下的动态气动特性等,进行了详细和系统的实验研究。分析了来流速度脉动对气动特性产生的影响,分别讨论了对气动特性产生影响的物理机制。应用拓扑分析方法,分析了非定常自由来流下的三角翼空间流场瞬时流线拓扑结构。最后,对实验获得的非定常气动力数据进行了建模,分析了考虑非定常自由来流影响的非定常气动力数据对过失速机动飞行特性产生的影响。非定常自由来流对静态二维翼型气动特性的影响研究表明,来流风速以短周期脉动时,升力系数随来流速度的减小而增加,来流风速以长周期脉动时,升力系数则减小。这与翼型前缘形成的分离涡随来流速度变化在翼面上驻留的时间有关。翼型俯仰运动与非定常自由来流耦合运动下的动态气动特性研究结果表明,耦合运动下的升力系数的迟滞回线比单独俯仰运动时扩大,最大升力系数的值比单独俯仰运动时增加。来流风速的影响作用,在模型静态失速攻角前后表现的最为明显,这是因为来流风速的减速使得模型动态运动过程中产生的前缘涡从翼型上的脱落过程进一步减缓。非定常自由来流对静态三角翼模型气动特性的影响研究表明,来流减速和加速过程对三角翼背风面空间流场结构和强度产生的影响,是导致三角翼模型气动特性产生变化的主要原因。对三角翼上流动结构影响最显著的,是当前缘涡在翼面上发生破碎以后。而对于小攻角下的附着流动以及很大攻角下的完全分离流动,三角翼上的流动结构变化则表现的不明显。通过对非定常自由来流变化过程中,翼面横截面内的瞬时流线拓扑结构的分析表明,随着来流风速的减小,三角翼上的涡的破碎位置向下游移动,而来流风速的加速过程又使涡的破碎位置提前。横截面内的流动拓扑结构的变化可以大致判断前缘集中涡的破碎位置变化。三角翼模型单独俯仰运动的实验研究表明,并不是在所有情况下模型的俯仰运动都会产生明显的动态迟滞特性。产生较大动态迟滞特性的运动,是模型上的流动经历了多种流动形态变化的运动,特别是在模型静态失速攻角前后范围内的运动,此时减缩频率的影响也最明显。来流风速脉动与三角翼模型俯仰运动耦合作用的实验研究表明,在小攻角附着流动和很大攻角完全分离流动的情况下,模型俯仰与来流脉动的耦合作用对模型气动特性的影响并不是很明显。而当模型动态运动经历较大流态变化时,特别是在模型静态失速攻角前后,来流风速脉动使气动特性的迟滞回环进一步扩大,并增大了模型的最大升力系数,推迟了动态失速攻角的出现。流动显示和PIV测量结果说明,模型上仰运动时,来流风速的减速过程对前缘涡的破碎起到进一步的推迟作用,而来流风速的加速过程则促进了前缘涡的破碎。非定常气动力数学模型的研究表明,不论是模糊逻辑模型还是基于模糊聚类分析的模糊神经网络模型,对于多变量输入输出系统来说都是比较好的建模方法,有较强的预测能力。而模糊聚类分析方法则很好地解决了模型的结构辨识问题,提高了计算速度。过失速机动中70迎角定直飞行的仿真计算表明,考虑来流非定常变化的非定常气动力数据,对战斗机的飞行特性和飞行控制律都产生了明显的影响,因此在新一代战斗机的设计、研制中,必须加以考虑。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和选题依据
• 1.2 相关研究综述
• 1.2.1 二维翼型动态失速特性相关研究
• 1.2.2 三角翼及其涡破碎特性的相关研究
• 1.2.3 三角翼动态特性的相关研究
• 1.2.4 非定常自由来流的相关研究
• 1.3 本文主要研究工作
• 第二章 试验模型、设备与试验技术
• 2.1 试验模型
• 2.1.1 二维翼型
• 2.1.2 60° 三角翼模型
• 2.1.3 低速风洞标模
• 2.2 试验设备
• 2.2.1 非定常风洞
• 2.2.2 二维翼型动态实验机构
• 2.2.3 三维模型静态姿态控制机构
• 2.2.4 三维模型动态非定常运动机构
• 2.2.5 动态机构控制系统
• 2.2.6 六分量天平测力系统
• 2.2.7 动态压力测量系统
• 2.2.8 热线风速仪
• 2.2.9 粒子图像测速仪
• 2.2.10 动态信号分析仪
• 2.2.11 数据采集系统
• 2.3 试验技术
• 2.3.1 非定常自由来流的生成
• 2.3.2 非定常气动力测量方法
• 2.3.3 动态压力测量方法
• 2.3.4 片光流动显示技术
• 2.3.5 瞬时流场定量测量技术
• 2.3.6 动态数据处理技术
• 第三章 非定常自由来流对二维翼型气动特性的影响研究
• 3.1 非定常自由来流对静态二维翼型气动特性的影响
• 3.1.1 非定常自由来流的计算结果分析
• 3.1.2 计算结果与实验结果的对比分析
• 3.1.3 非定常风洞中的实验结果分析
• 3.1.4 小结
• 3.2 俯仰沉浮运动下的二维翼型
• 3.2.1 翼型静态测压结果
• 3.2.2 翼型单独俯仰运动结果分析
• 3.2.3 翼型单独沉浮运动结果分析
• 3.2.4 俯仰沉浮耦合运动结果分析
• 3.2.5 小结
• 3.3 非定常自由来流中的动态二维翼型气动特性
• 3.4 本章小结
• 第四章 非定常自由来流对静态三角翼气动特性的影响研究
• 4.1 非定常自由来流对具有三角形机翼的风洞标模气动特性的影响
• 4.2 非定常自由来流对三角翼模型气动力特性的影响
• 4.3 非定常自由来流中的三角翼表面动态压力测量
• 4.3.1 静态压力测量结果
• 4.3.2 动态压力测量结果
• 4.4 非定常自由来流中三角翼空间流场的流动显示和 PIV 定量测量
• 4.4.1 流动显示结果
• 4.4.2 PIV 定量测量结果
• 4.4.3 横截面内瞬时流线拓扑结构分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 单独俯仰运动的三角翼动态气动特性研究
• 5.1 三角翼单独俯仰运动时各种参数对气动特性的影响
• 5.1.1 振荡频率的影响
• 5.1.2 振荡幅值的影响
• 5.1.3 不同振动平均攻角的影响
• 5.2 三角翼单独俯仰运动时上翼面动态压力分布的非定常变化
• 5.2.1 压力分布随攻角及时间的变化
• 5.2.2 不同运动状态下弦向压力分布变化
• 5.2.3 不同运动状态下展向压力分布变化
• 5.2.4 整个翼面上动态压力分布的变化
• 5.3 流动显示结果与定量分析
• 5.3.1 流动显示结果
• 5.3.2 PIV 测量结果
• 5.4 本章小结
• 第六章 非定常自由来流中的动态三角翼气动特性
• 6.1 非定常来流与三角翼俯仰运动耦合作用下的气动特性
• 6.2 耦合运动下的动态压力分布
• 6.3 耦合运动下的流动显示和 PIV 测量结果分析
• 6.3.1 流动显示结果
• 6.3.2 PIV 定量测量
• 6.4 本章小结
• 第七章 非定常气动力建模研究
• 7.1 气动力建模的研究与发展
• 7.2 多变量非线性非定常气动力的智能化辩识
• 7.2.1 模糊数学的一些基本知识
• 7.2.2 模糊逻辑建模
• 7.2.3 基于模糊聚类的模糊神经网络建模
• 7.3 本章小结
• 第八章 非定常气动力数学模型的应用
• 8.1 大迎角滚转运动稳定性分析
• 8.1.1 非线性非定常数学模型
• 8.1.2 动导数仿真计算
• 8.1.3 飞机绕体轴滚转运动稳定性计算
• 8.1.4 飞机滚转运动的李雅普诺夫稳定性分析
• 8.1.5 小结
• 8.2 过失速机动的数值仿真分析
• 8.2.1 飞机本体模型
• 8.2.2 发动机数学模型
• 8.2.3 非定常气动力数学模型
• 8.2.4 模糊控制
• 8.2.5 仿真结果分析
• 8.2.6 小结
• 8.3 本章小结
• 第九章 总结与展望
• 9.1 全文总结
• 9.2 后续工作展望
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的主要论文
• 参考文献