内埋式舱体与其挂载强耦合流动特性研究

现代及未来战斗机采用内埋式武器舱作为机载武器装载方式，从流动机理来看，内埋式武器舱在打开舱门，发射武器时的流动为典型的挂载腔体流动。本课题主要采用风洞试验（油膜流态显示、PIV式背景纹影技术BOS、静动态测压和测力）和大规模并行数值模拟（求解三维N-S方程、LES方法模拟湍流和运动网格技术）相结合，以空气动力学的分离流理论、激波与边界层相互干扰理论、剪切层稳定性分析和动态数据处理方法为基础，充分利用PIV式背景纹影技术BOS和模型表面动态测压所具有的时间或空间的高分辨率特性，重构挂载腔体内的波系和涡系，揭示出扰动波在挂载腔体内产生、传播过程中被减弱和增强的机理，找出引起挂载腔体出现自持振荡的物理条件。充分利用LES方法的高精度和运动网格的灵活性并结合量纲分析法，分析各个几何参数、流动参数和挂载初始状态等因素对腔体和挂载流动的影响程度，找到挂载与腔体安全分离的设计准则。

本课题主要采用风洞实验和大规模并行数值模拟技术进行了挂载腔体流动研究。风洞实验进行了静/动态测压、纹影和基于纳米粒子示踪的平面激光散射NPLS技术和PIV技术精细流场测试；数值模拟采用求解二维、三维非定常N-S方程和Menter 模型及基于Menter 模型的分离涡模拟方程以及非线性声学脉动方程得到腔体的非定常流动特性；采用网格变形/重构、重叠网格技术和六自由度刚体动力学方程相结合模拟弹体的运动。对超音速来流条件下，不同长/深比的无挂载腔体、腔体与静态挂载以及挂载投放的流动特性进行了测试或模拟。研究表明：（1） DES方法能精细模拟剪切层内的涡结构，能较为准确地捕捉噪声源，但数值耗散相对较大；非线性声学方法能模拟剪切层的主要涡结构，数值耗散较小，能较好的模拟噪声传播过程。因此，非线性声学方法得到的各模态声压级量级与实验结果符合较好，而DES方法得到的结果偏小；DES方法求得的各模态频率与实验吻合较好，而非线性声学方法求得的频率有一定偏差。（2）对于开式腔体，随着来流边界层厚度增加，形成的剪切层稳定性增强，失稳后上下摆动幅度减少，与腔体后缘撞击的平动动能转动动能降低，导致腔体内声压级降低。（3）通过改进rossiter公式的推导方法，明确了经验常数 的物理意义为表示扰动声波到达前缘后诱导新脱落涡这一过程的滞后效应，解释了来流边界层的增厚使各阶模态频率降低的原因。（4）对于过渡开式腔体，来流边界层增厚，流动变为开式状态，声压级值有所减小；对于过渡闭式腔体和闭式腔体，随着来流边界层厚度增加，保持着闭式状态，底部的压力脉动增强，某些频段的声压级值有所增加。（5）超声速条件下的弹体出舱后，根据来流马赫数的不同，弹体头部附体斜激波与舱体前缘斜激波相互作用后，呈现马赫相交或正规相交；它们分别在剪切层上和弹体表面反射，形成不同的波系，使得弹体上表面压力呈现高、低压区交替分布现象，使得弹体下落过程中受力出现大幅度的波动，对弹体安全分离存在不利影响。当弹体距离舱体一定距离后，弹体与舱体相互间的流动干扰较小；内埋舱武器投放形成的波系比常规外挂投放形成的波系复杂，内埋舱武器投放时应在初始增加低头力矩或低头角速度。比较本项目的研究成果为真实内埋舱的设计和武器安全投放设计提供依据。