非常规机身布局大迎角机翼摇滚运动及流动机理研究

本申请项目以新一代先进高机动战斗机的技术需求为背景，通过风洞实验的研究手段对新一代战斗机普遍采用的非常规机身布局在大迎角下产生的非线性机翼摇滚现象进行研究。本项目计划从机翼摇滚的运动形态和流动机理两个方面对非常规机身布局的机翼摇滚现象展开研究：首先展示非常规机身布局在大迎角下呈现的典型非线性机翼摇滚运动形态；然后以非常规机身布局在静态大迎角下的流动结构为基础，研究在机翼摇滚运动过程中复杂绕流流场的演化、发展规律，并在此基础上确定形成机翼摇滚运动形态的主控绕流流型及相应的流动机理；最后通过对Re数、机翼位置等参数的研究全面揭示流动参数以及几何外形参数对非常规机身布局大迎角机翼摇滚运动及相应流动机理的影响规律。.本申请项目的研究不仅将为我国新一代战斗机大迎角高机动飞行的实现提供技术储备，同时对于空气动力学复杂流动领域的学科发展也具有重要的科学意义。

高机动性是现代战机重要性能指标，通常通过大迎角飞行得到。采用常规圆截面前体机身的飞行器进行大迎角飞行时，受复杂绕流影响往往产生一些非指令运动，机翼摇滚就是一种典型的运动形式。这些非指令运动将严重影响飞行器的飞行安全和性能。作为现代先进战机的代表，F-22气动布局中一个重要特征就是带有尖侧缘的非常规前体机身外形。这种外形有助于隐身和高速飞行，并具有某些较好的空气动力学特性。为提高这种布局的机动性，其在大迎角下的动态特性是我们关注的重点，这也正是本项目的研究内容。. 本项目通过风洞实验对非常规机身翼身组合体模型大迎角下机翼摇滚的运动及流动特性展开了研究。首先，借助自由摇滚实验，在Re=1.87×10^5条件下，研究了机翼摇滚运动形态在迎角α=0º~70º范围的演化过程。根据运动特性，将所研究的迎角范围划分为7个区。当α≤20º时，没有出现机翼摇滚运动（A区）；随迎角增大，运动形态经历了复杂的演化过程（B区~F区）；直到α>60º后，摇滚运动消失（G区）。其中，典型运动形态包括偏离振荡、单极限环振荡和双极限环振荡3种。. 其次，研究了横向气动特性随迎角的演化规律。借助测力实验，发现存在摇滚运动的迎角在滚转角Φ=0º处的横向静稳定性为不稳定的，且在Φ=0º附近存在滚转不稳定区间。这导致并促进了摇滚运动的形成。借助测压和PIV实验，发现不稳定性来自机翼背风面。在非对称机身涡诱导下，背风侧机翼涡强度大于迎风侧机翼涡强度，导致了不稳定滚转力矩的产生。在滚转力矩稳定平衡点附近，机翼背风面流动随滚转角存在两种演化规律，一种表现为稳定流场切换，一种表现为没有流场切换。. 再次，借助强迫摇滚实验装置，研究了三种典型运动形态摇滚过程中流场的演化。对于偏离振荡，平衡位置附近机翼背风面流场无切换，故模型维持小振幅振荡。对于单极限环振荡，摇滚过程中存在对运动起促进作用的流场切换，这种流场切换的出现与静态条件下滚转力矩稳定平衡点附近的稳定流场切换密切相关。. 最后，研究了Re数和机翼轴向位置的影响。Re数对摇滚运动形态基本没有影响，不影响运动分区情况，而机翼轴向位置对摇滚运动有显著影响，机翼位置前移或后移都使运动形态随迎角的演化分区减少。