细长体大迎角下低频涡振荡的主控参数与流动控制研究

Slender bodies are commonly taken as simplified modes of aircraft’s fore-bodies and missile’s bodies, over which vortex flows and associated aerodynamic forces induced have paid much attention for a long time. The applicant verified recently that there exist alternate vortex oscillations over slender bodies with a tip nose, which are a novel type of unsteady phenomenon with the oscillation frequencies much less than Karman vortex shedding and the large side forces induced. The present project is aimed to expand the investigation on the vortex oscillation to slender bodies with a hemispheric nose, meanwhile studying the effects of Reynolds numbers and small geometric modifications of noses on the vortex oscillations, and finally passive and active vortex control techniques are planed to develop based on these above studies. The project will be conducted experimentally in wind tunnel and water tunnel, and the measurement methods consist of force and wall pressure measurements as well as measurements of spatial velocity fields with Hotwire and Particle Image Velocimetry (PIV). The investigation will reveal the evolution and parameter effects on the novel unsteady vortex oscillations different from traditional vortex shedding, therefore being able to provide new insight into fundamental vortex dynamics. Meanwhile, based on the vortex control methods obtained, the project will also be able to provide technical reserves for flight vehicles flying at high angles of attack.

细长体作为战斗机前机身和战术导弹弹体的简化模型，其大迎角下的旋涡流动及气动特性一直备受关注。申请人在近期研究中证实，绕尖头细长体的分离涡在大迎角时存在低频交替振荡，振荡频率远低于卡门涡街频率，是一种新的非定常现象，该涡振荡会诱导出很大的脉动侧向力。本项目计划将涡振荡的研究拓展到半球头细长体，并进一步研究雷诺数、头部几何形状等参数对尖头和半球头细长体分离涡脉动特性的影响规律，在此基础上针对两种细长体发展相应的被动和主动涡控制技术。该项目计划通过风洞和水洞实验方法开展研究，研究手段包括整体测力、截面测压、空间单点和两点热线测量以及截面速度场的粒子图像测速（PIV）测量。该研究将揭示一种不同于涡脱落的非定常涡脉动现象的发展规律，从而为丰富基础流体力学的研究内容作出贡献，同时基于该项目发展的细长体非定常分离涡的控制技术，将为飞行器大迎角飞行下的有效飞行控制提供技术储备。

现代战机和战术导弹为增强机动性，以及超声速飞机在起飞、着陆时，都需要大迎角飞行。大迎角下绕机身或弹体的三维旋涡失稳后将产生的非定常旋涡流动，导致飞行器产生不可控的飞行现象，严重威胁飞行安全。本研究以细长体为模型，研究其大迎角分离涡的低频振荡现象，揭示相关的流动机理，研究主控参数的影响和流动控制技术。从而为飞行器的大迎角气动设计提供技术支撑。. 本研究采用粒子图像测速技术测量了涡振荡的空间结构，首次在实验上证实了尖头和钝头细长体的背涡都存在涡振荡现象。这是一种不同于卡门涡脱落的另一种大尺度旋涡的周期性运动现象。研究了雷诺数、迎角、头部长细比等参数对细长体分离涡非定常特性的影响。采用动力模态分解(DMD)和本征正交分解(POD)分析了细长体的涡振荡模态。试验结果表明，雷诺数对涡振荡和旋涡稳定性有重要影响，当雷诺数小于某临界值时，半球头模型下游存在低频水平摆动（反对称模态）；当雷诺数大于该临界值时，半球头模型背涡存在交替振荡（反对称模态）和同相振荡（对称模态），交替振荡是涡振荡的主要模态。交替振荡模态的无量纲频率约为0.11，是一种不同于Crow型的反对称长波不稳定模态。. 随着迎角增加，尖头细长体时均背涡出现明显非对称。随着头部转动，对称的时均背涡也存在，时均非对称和时均对称的背涡都是在以极低频率（0.01）交替振荡，时均非对称涡表现为非对称交替振荡，时均对称涡表现为对称交替振荡，对称交替振荡涡的非定常性相对更强。尖头细长体背涡非定常性随头部长细比增加而减弱，时均非对称性随头部长细比增加而增强。钝头细长体侧向力系数脉动类似于正弦变化，脉动频率接近于涡振荡频率，尖头细长体侧向力系数脉动均方根相对较小，脉动频率和涡振荡频率一致。. 通过测量不同尾部形状的细长体流动，研究了尾涡脱落对前体涡振荡的影响，结果表明，尾部形状和由此带来尾涡脱落的改变并不影响前体涡的流场结构及振荡频率，但不同形状的尾部将影响前体涡振荡的幅值。