《上海交通大学学报》2023年“航空航天”专题
表面张力驱动下的内角流动理论为空间液体管理装置的设计提供重要支撑,其动态流动过程中的液体流量、流速、液面位置等参数是决定液体管理性能的关键因素.在实际应用中,受到加工条件的限制或为了提高机械承载能力,内角尖端通常存在一定的钝度.采用理论分析与实验验证相结合的方法,定量分析了钝度对内角流动特性的影响规律.结果表明,在钝度一定的条件下,液面运动距离与时间的1/2次方始终保持近似正比关系,且钝度越大毛细流动的速度越低.通过基于磁补偿原理的微重力模拟流动实验,初步验证理论模型的正确性.并将理论模型应用于以液氢和液氧为代表的低温推进剂的表面张力输运过程,发现不同条件下的流量变化规律,为低温推进剂表面张力式液体管理装置的设计提供重要基础数据.
碳纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)作为一种潜力巨大的结构材料逐步在航空器上获得应用,然而该种材料的雷电电弧附着特征还尚不清楚.因此,通过模拟雷击的试验方法,研究了CFRTP的电弧附着特性,同时,开展了基于有限元方法的CFRTP对空间电场的改变效应分析,并与金属材料进行了对比.研究得到,航空器结构中,在同时包含CFRTP和金属材料情况下,CFRTP是雷电电弧的可能附着点,但电弧附着概率较金属材料低22.5%.雷电电弧附着过程中CFRTP表面出现了单个上行先导、多个上行先导的情况而产生对应的单个或多个电弧附着点情况,存在雷电电弧同时附着于金属和CFRTP的现象.仿真计算得到的空间电场分布结果与试验结果相符.研究为CFRTP的雷击特性和损伤响应提供基础.
为了揭示复杂的流动机理,国内外提出了一系列高阶精度格式,其中加权非线性紧致格式(WCNS)具有良好的激波捕捉能力,已广泛用于复杂流动数值模拟,然而在模拟小尺度流动时分辨率不足、耗散偏大.在WCNS的框架下,借鉴基于目标本质无振荡(TENO)格式的加权策略,将间断检测和模板加权的新方法引入WCNS构造中,发展了一种7阶精度的WCNS7-T格式,通过一维激波管问题和二维黎曼问题等开展算例测试,并与传统的WCNS7-Z格式计算结果进行对比来验证新格式的改善性能.数值实验表明,WCNS7-T格式更好地抑制了间断附近的数值振荡,在提高分辨率和激波捕捉能力的同时也进一步降低了耗散.
粗糙冰会改变翼型前缘轮廓从而影响翼型整体的气动特性.研究过冷大水滴结冰条件下产生的粗糙冰对翼型绕流流场结构的影响可以为飞机的防/除冰设计提供参考.利用粒子图像测速技术在低速直流风洞内对表面覆盖粗糙冰的翼型模型的绕流流场结构开展了详细的实验测量研究,主要探究了粗糙冰对涡量和标准化雷诺应力分布的影响.研究参数包括雷诺数、粗糙冰的粗糙度和翼型的攻角.结果表明:随着雷诺数增大,带冰翼型尾流处的涡量范围和数值增大,标准化雷诺应力值略微减小;粗糙冰的存在降低了翼型近壁面处气流速度,增加了尾流的涡量并严重影响切应力分布;与光滑翼型相比,粗糙冰会使气流提前分离,且分离泡内的气流速度波动更剧烈.
翼型前飞过程中,地面效应带来的气动力影响难以忽略,尤其在地面结构产生突变时翼型的气动性能必然产生较大变化.通过NACA4412翼型算例,研究了翼型前飞过程中阶跃型地面引起的气动性能影响,分析高度和迎角两种因素与翼型气动性能的相关性.结果表明:在阶跃型地面作用下,翼型前飞在地面效应缺失时会引起翼型升阻比陡降,且与离地高度存在线性关系.离地攻角则与气动性能突变之间存在相反关系,即翼型脱离地面时需维持较大迎角才能减弱气动性能陡变效应,舰载机的起降过程属于典型的阶跃型地面.基于上述结果,为地面效应影响下翼型的气动设计提供参考.
针对高速飞行器燃油消耗全阶段温度场三维瞬态计算存在效率过低问题,为满足高速飞行器燃料系统快速迭代设计过程中燃油温度场计算的需求,通过在热传导方程中添加掺混系数表征燃油内部热对流,在热平衡方程中添加传质项表征燃油宏观流动,提出一种满足设计精度的高效修正热网络方法.基于提出的热网络法构建高速飞行器储油系统瞬态热分析模型,在不同的热边界条件和储油系统几何结构下,该热网络法计算结果与计算流体动力学(CFD)方法结果的偏差低于5%,计算效率极大提高.采用CFD计算与修正热网络法结合的方式,为高速飞行器燃料储存系统设计提供了新的燃油瞬态温度变化预测方法.
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