钝前缘舵翼面高超声速流固耦合特性及机理研究

In hypersonic flow, the aerodynamic shape of the rudder and wing has an important influence on its fluid-structure interaction behaviors such as the flutter and the static divergence. In the current hypersonic unsteady aerodynamic theory, the shape of the blunt leading edge is not well considered in it. And the flutter test study also shows that there is a large difference between the theoretical and experimental results. In this project, the blunt leading edge airfoil fluid-structure interaction behaviors as well as the hypersonic unsteady aerodynamics will be studied by performing hypersonic wind tunnel flutter test, theoretical analysis and CFD calculation. The factors that having effect on the blunt leading edge airfoil fluid-structure interaction will be studied. The project is expected to reveal the characteristics and the mechanism of the blunt-leading-edge airfoil fluid-structure interaction in hypersonic flow and propose a hypersonic unsteady aerodynamic model suitable for the blunt-leading-edge airfoil. The outcome of this research will provide theoretical and technical support for the aeroelastic design of hypersonic vehicles.

高超声速情况下舵翼面气动外形对其结构的颤振、静发散等流固耦合特性有着重要的影响，目前的高超声速非定常气动力理论不能很好的考虑钝前缘外形，并且试验研究发现对于钝前缘舵翼面颤振的理论计算和试验存在较大误差。本项目采用高超声速风洞颤振实验和理论计算分析相结合的手段，研究典型钝前缘翼面高超声速流固耦合特性和非定常气动力特性，探索钝前缘翼面高超声速气动弹性耦合机理。项目预期揭示高超声速流中钝前缘翼型流固耦合影响规律和影响机理，提出适用于钝前缘翼型的高超声速非定常气动力模型。项目的研究成果可为高超声速飞行器气动弹性设计提供理论和技术支撑。

本课题在自然科学基金的资助下，主要完成了针对钝前缘舵翼面在高超声速条件下的流固耦合特性及其耦合机理的研究研究工作。通过实验与数值模拟手段，分别考察了带有钝度的三维梯形舵面的颤振等动态稳定性特性，并与理论预测进行了比较，不同手段的预测结果达到了精度要求，由此验证了本研究的技术手段与研究方法。同时采用计算与理论分析方法对不同钝度的二维舵翼面模型进行了分析，发现了钝度对颤振边界的影响规律，采用模型方法分析，获得了产生此规律的物理因素。本研究采用实验、数值模拟和理论分析的方法对钝前缘舵面在高超声速条件下的耦合特性进行分析获得了如下重要结果：1） 前缘钝度对舵面颤振边界的影响规律。针对同一个结构模型的构型下，不同钝度的舵面其颤振动压不同，而且随着动压的增加，发散过程不同。前缘钝度增加了结构的动态稳定性，抑制颤振的发生，而随着动压的增加，带有钝度的舵面气动阻尼不是单调减小的关系。2）前缘钝度对颤振边界的影响机理。通过对活塞理论等气动模型的修正研究，发现钝度对颤振边界的影响主要包括两个方面。首先随着钝度的增加，翼型前的弓形激波强度增加，从而降低了激波后流动的动压，因此翼型感受到的流动动压减小。其次钝度的增加减小了前缘的曲率，根据Busemunn修正，减小了作用在前缘的压力变化，因此导致不稳定性减小。.在研究过程中获得了高超声速条件下顿前缘梯形舵面气动弹性稳定性的实验与计算数据，同时获得了钝度对颤振边界影响规律数据，可以应用到后续舵面前缘钝度设计过程中。.全动舵面在高超声速条件下的力-热-结构耦合问题较为突出，关系着飞行器的安全与任务的成败。为了防止舵面在严酷热环境下的失效，采用钝前缘构型为设计的可行选择。本研究针对钝度对舵面结构动态稳定性的影响与相关机理的研究获得了相应的影响规律和影响机理，最终得到的结果能够应用到舵面的设计中，提高舵面防热与气动弹性稳定性，从而提高飞行器的相应性能。