Visualization and PIV study of wing-tip vortices for three different tip configurations

The planform, profile, and cross-sectional views of the wing-tip region of a half-wing model with an aspect ratio of 3.2 and three different wing configurations, namely, square-cut, simple fairing, and Whitcomb?s full winglet wing-tip, were visualized at various angles of attack using smoke-wire visualization technique. Visualization pictures clearly show that the wing-tip vortices at different angles of attack and wing-tip configurations had distinct formation and structure characteristics. A comparison of simple fairing and Whitcomb?s winglet configurations shows that the wing-tip vortices of the Whitcomb?s winglet configuration were reduced in strength and displaced outboard and upward, at least in the near-wake region. This resulted in an increased lift-to-drag ratio for the Whitcomb?s winglet configuration. The changes in the wing-tip vortex characteristics and the improved aerodynamic performance of the winglet were confirmed by Particle Image Velocimetry (PIV) measurements of the cross-flow velocity of the wing-tip trailing regions and the force measurement of the model.     

基于任意空间属性FFD技术的融合式翼稍小翼稳健型气动优化设计

 以非均匀有理B样条基函数为空间控制体属性,建立了任意空间形状自由变形(FFD)技术参数化方法。所建立的气动外形参数化系统通过FFD控制体的分布以及控制顶点的合理选取,能够对任意复杂外形进行参数化设计。首先采用FFD控制体对某型客机翼稍小翼进行空间属性构建;然后结合基于Delaunay图映射技术建立了结构对接网格变形模式,采用分群粒子群算法以及误差反向传播训练算法(BP)神经网络进行稳健型气动优化系统的构建;最后对某型客机融合式翼稍小翼的后掠角、倾斜角和高度等参数进行稳健型气动优化设计,分析对比了优化前后翼梢小翼表面压力云图、截面压力分布及载荷分布。优化设计结果表明:设计后的翼稍小翼的升阻比与阻力发散特性明显提高。     

Experimental study of the aerodynamics of a wing with various configurations of wingtip triangular extension

In this paper, we discuss the main ways of improving the aircraft aerodynamics. The results of a physical experiment are presented that is aimed to verify the theoretical results obtained earlier on the possible improvement in a seaplane wing model lift-to-drag ratio, by using a deflectable triangular extension along the wing leading edge near the wingtip. We confirm the slight effectiveness of using the wingtip leading edge triangular extensions on the nature of flow around the wing.     

基于高斯过程回归和遗传算法的翼型优化设计

针对高升阻比风力机翼型前缘曲率半径较大的问题,传统的翼型参数化方法前缘控制能力不足,且基于面元法XFOIL预测精度差的问题,利用增强类函数/形函数转换（CST）参数化方法控制翼型的形状变化、拉丁超立方实验设计、计算流体力学（CFD）流场计算模块、高斯过程回归模型和遗传算法,提出了基于高可信度Reynolds average Navier-Stocks（RANS）和高斯回归模型辅助遗传算法的翼型优化设计方法。结果表明:基于高斯回归模型的翼型优化方法,可以将优化所用CFD计算次数降低一阶,从而大幅度提升优化设计效率。由标准算例超临界翼型RAE2822的降阻设计表明,在百次量级的CFD次数阻力降低43.16%,激波被削弱且升力、力矩和面积严格满足约束。由风力机翼型NACA64618的最大化升阻比优化设计表明,所设计翼型不仅在设计攻角和副设计攻角处升阻比大大增加,在整个小攻角范围内其气动性能都得到了提升,且两个主设计点,无不良阻力的产生。      

一种新型商用飞机翼梢小翼设计及优化

翼梢小翼可以有效的减小耗散飞机的翼尖涡,减小诱导阻力,从而达到商用飞机减阻增升、节省燃油的目的。本文研究分析了blended winglet和raked wingtip两类小翼的特点,设计了综合这两类小翼特性的翼梢小翼,具有结构简单,增加的有效翼展小、适合于中小型机场特点。同时研究了bladed wingtip形式翼梢小翼的设计原理、设计方法及流场特性。采用的外形参数化设计及自动生成程序方法通过小翼的前后缘来确定小翼的几何形状,具有快速生成外形、易实现优化设计、工程设计效率高等特点。本文设计的bladed wingtip形式的翼梢小翼具有设计点压力峰值低、没有激波、翼尖不易先分离、在增加的有效展长很小的情况下仍有较好的减阻效果等特点。     

钝前缘三角翼无人机气动特性研究

三角翼布局因其优良的气动特性在军用飞机和无人机上获得了广泛应用.为了研究钝前缘三角翼无人机的气动特性,首先采用求解雷诺平均N-S方程的方法对NASA钝前缘三角翼标模进行对比计算,以验证计算方法的可靠度;然后对无人机四个升降舵偏角的气动力和流场特性进行分析研究.结果表明:三角翼无人机在升力系数较小时具有较高的升阻比,当迎角小于1 5°时,钝前缘三角翼前缘气流附体、吸力较高,翼面的横向流动不明显,使飞机的升阻比提高;当迎角大于15°后,涡流特征起主导作用,使得飞机在直到40°迎角范围内没有出现大面积气流分离,具有良好的俯仰稳定性,升降舵效率较高.钝前缘三角翼气动布局在翼展受限、翼载较小的条件下具有一定的气动特性优势.     

翼梢小翼后掠角对民机气动性能影响的研究

针对某民机起飞、巡航、着陆三种典型飞行状态,通过CFD方法研究翼梢小翼后掠角变化对该机不同状态下气动性能的影响。仿真结果表明,在起飞、巡航、降落三种不同状态下,随着翼稍小翼后掠角的增大,升阻比的变化都呈现先升高后下降的趋势;同时得出在以10°为步长的计算条件下,以升阻比为考核指标,对应各飞行状态的最佳后掠角分别为30°、50°、40°。该结论对今后变体翼梢小翼的研究有一定的参考价值。     

含有SMA弹簧驱动器的可变倾斜角翼梢小翼研究

 针对传统翼梢小翼在非设计状态减阻效果不佳的缺点,提出一种含有形状记忆合金(SMA)弹簧驱动器的变体翼梢小翼结构,它能根据飞行状态主动调整小翼的倾斜角,实时优化飞机的阻力特性.采用力-热-应变耦合法设计了所需的SMA弹簧驱动器,并通过有限元仿真与风洞试验验证了变体翼梢小翼的变形能力,最后初步研究了变体翼梢小翼的闭环控制方法.研究结果表明,在飞机的起飞阶段(自由来流流速为26 m/s,迎角为3°),变体翼梢小翼的倾斜角能在1 min内自主完成预定变化过程,倾斜角的最大变化量为23°,控制精度的最大误差为12%,各项指标均符合设计要求.     

基于正交设计的某型飞机翼尖小翼优化设计方法研究

飞机翼尖小翼设计是一个多因素设计,在机翼设计中比较复杂,影响参数较多。采用基于正交设计的方法,利用CFD技术,可较快的优选出小翼的倾斜角、高度、前缘后掠角、安装角等参数。以设计状态为例,对优选出的每个因素取三种水平进行了具体的计算,并给出了具体的结果,通过各因素在各水平下的平均升阻比,可以得到最优的参数值。结论说明给出的方法是合理的。实验也证明了该方法可以节约时间和经费。     

翼梢小翼的气动特性计算和实验验证

 本文用有限基本解法,对带翼梢小翼后掠翼的亚音速升阻特性进行了计算,并计算了其俯仰力矩和翼根弯矩。通过各种形式翼梢小翼的计算,分析了翼梢小翼气动特性的一般规律。计算结果与实验数据的比较表明,本方法可满足翼梢小翼初步设计和选型的需要。     

地效翼风洞试验支架干扰数值分析

对地效翼移动地面风洞试验研究中的支架干扰进行了数值模拟和分析。分别对独立地效翼,带支架的地效翼及独立支架进行了数值模拟,计算采用可实现的κ-ε模型,通过求解定常不可压N-S方程,得出地效翼及支架周围流场分布情况。对几组计算结果比较分析了支架和地效翼的空气动力及由于干扰引起的空气动力,发现支架与地效翼之间的相互干扰随着地效翼迎角的增大而增强,如果忽略流动干扰造成的空气动力变化,地效翼升力误差很小,但阻力误差相对较大。同时对有干扰下和没有干扰下的流场进行了对比,分析了支架对翼尖涡流动及绕机翼流动的干扰。翼尖涡在地效翼翼尖附近的发展在0．5犮范围内基本不受支架的干扰;除支架对流场产生干扰外,移动带区域以外的固定地面附近粘性流动也对绕地效翼流动有一定的影响。本研究分析了风洞试验结果的可靠性,为地效翼风洞试验优化设计和地面效应风洞试验研究提供了参考。     

民机先进翼尖装置气动特性对比研究

在民机上加装翼尖装置能够有效减小诱导阻力,提高巡航效率.采用计算流体力学方法,针对上反小翼、鲨鱼鳍和阶梯式三种先进翼尖装置进行了气动特性研究.对高、低速情形下诱导阻力、俯仰力矩和翼根弯矩进行了分析比较,所得结果可为民机翼尖装置的综合评估与选择提供一定参考.     

旋成体导弹小展弦比舵面大偏度对称状态下非对称流动机理

针对跨声速条件下,小展弦比截尖三角翼尾舵的旋成体导弹在小迎角、零侧滑、大舵偏对称状态下呈现出的非对称流动现象,本文首次对其进行了分析研究。首先,通过一系列测力试验、表面油流试验及粒子图像测速（PIV）试验对该非对称流动现象进行了精准捕捉,并对其产生的原因进行了分析。然后,基于已获得的试验数据及流场观测结果,借助数值模拟方法对所述非对称流动的细节、拓扑结构、空间形态及舵面压力分布等问题做了深入研究,并进行了详细讨论。结果表明：旋成体导弹小展弦比舵面大偏度对称偏转时,舵面前缘产生的翼尖涡会因舵面相距较近而相互干扰,促使翼尖涡沿流向非对称发展,使得舵面压力分布不均,最终导致非对称流动和较大横向量的产生,影响导弹的气动性能。     

基于非结构网格空间推进的高超声速飞行器背脊线优化

针对高超声速飞行器背脊线优化进行了研究。结合自由曲面变形(FFD)方法和Hicks-Henne型函数建立背脊线参数化模型,保证了飞行器背部曲面光滑连续。为减少计算耗时,采用非结构网格空间推进方法求解高超声速无黏流场,通过钝锥算例对该方法计算效率和精度进行了参数分析,并对飞行器流场计算进行了验证,对比表明表明:非结构网格空间推进算法计算效率提高4.5倍以上,计算结果与常规时间迭代法符合较好。采用优化拉丁超立方抽样建立响应面模型,分析了各设计变量对目标函数的影响。采用非支配排序NSGA-Ⅱ(non-dominated sorting genetic algorithm-Ⅱ)算法以阻力系数和升阻比为目标对背脊线优化,约束飞行器体积变化不超过20%。结果表明,飞行器阻力系数和升阻比呈负相关,优化后阻力系数降低7.1%,升阻比提高16.9%。      

双椭圆截面再入飞行器的气动计算及布局优化设计

双椭圆截面飞行器较圆截面回转体外形具有更好的刚性、更轻的重量、更大的容积和更高的配平升阻比.本文首先发展了一套可以计算该类飞行器纵横向气动力的工程计算方法,并利用N-S方程数值模拟方法进行了验证.其次,对此类飞行器的气动布局进行了优化设计,并利用相同的优化模型对圆截面外形进行了计算.最后,对双椭圆截面优化外形和圆截面优化外形的气动特性进行了比较.     

一种翼身组合体的气动概念设计

翼身组合体具有较高的升阻比,可进行较大范围的机动,而且还可以提高落点精度、扩大再入走廊、降低热流峰值并降低过载.本文采用模线设计方法设计横截面控制点,借鉴航天飞机气动力工程计算方法发展了一套可以预估翼身组合体飞行器纵横向气动力的工程计算方法.提出并建立了翼身组合体飞行器的优化设计模型并进行了计算,获得了带后掠下反翼的翼身组合体优化方案.对其升阻比特性、质心设计、稳定性问题、滑翔飞行特性及气动热环境进行了预测和讨论.研究表明,带后掠下反翼的翼身组合体方案可以在较小攻角时获得较大升阻比,纵横向稳定且具有较大的滑翔距离和滞空时间,是一种潜在的高超声速机动方案.     

基于全局线性稳定性分析的翼尖双涡不稳定特征演化机理

相比于机翼产生的孤立翼尖涡，加装小翼之后的翼尖涡表现出双涡甚至多涡结构，并且呈现出更加复杂的不稳定特征。为揭示翼尖双涡结构不稳定特征及其演化机理，采用体视粒子图像测速（SPIV）技术和全局线性稳定性分析（LAS）方法对不同雷诺数和攻角下带双叉弯刀小翼的M6机翼产生的翼尖涡结构在尾迹区的不稳定特征进行研究。试验结果表明，对称布置的双叉弯刀小翼产生的翼尖涡包含上/下小翼产生的主涡（上/下主涡）结构，两者构成近似等强度的同转涡对，在相互靠近的同时以20 rad/s的角速度相互缠绕。对上/下主涡瞬时涡核位置的统计分析表明，翼尖涡摇摆幅值随流向位置逐渐增大，随雷诺数的增加而增大，随攻角的增加先增大后减小。对16倍弦长的尾迹截面处的翼尖双涡结构进行全局时间稳定性分析，不同工况下，上/下主涡最不稳定模态（模态P/模态S）的稳定性曲线变化规律与摇摆幅值的变化规律相一致，表明翼尖涡的摇摆源自于其内在的不稳定性特征。增加流向扰动波数，发现模态P切向波数逐渐增加；而模态S则是径向波数逐渐增加。不同工况下，模态P的切向波数为5~6，扰动波数分布在[2.75，5]的区间内，所对应的不稳定放大率均大于模态S，而不稳定放大率最大的模态扰动范围作用在上主涡的整个涡核区域，表明这种大切向波数的扰动模态在翼尖涡流控中的潜在价值，也意味着加装小翼会增加涡结构的个数，增强不稳定性的发展，有助于翼尖涡的快速失稳衰减。     

边界层抽吸效应对分布式推进系统气动性能影响数值研究

为探究边界层抽吸（BLI）效应对飞机的气动性能影响,采用基于沿流线体积力模型的飞机/发动机一体化数值模拟方法对某分布式推进系统进行了计算和分析。结果显示,BLI效应主要影响飞机中心体部分及发动机外整流罩的气体流动,对翼身融合体（BWB）的融合段及外翼段的升阻力影响较小。保持飞行条件和飞行攻角不变,飞机的升、阻力系数均随着无量纲化的发动机流量增加而增大,存在最佳无量纲化的发动机流量对应最大升阻比。发动机的安装位置直接影响机身表面的局部超声区和整流罩外的激波分布,布局在机身尾缘处会获得更好的升阻比,最大升阻比对应的无量纲化的发动机流量为0.65。      

Wing optimization of propeller aircraft based on actuator disc method

Propeller aircraft are widely used in general aviation. The rotating propeller has a strong effect on the aerodynamic performance of the wing. This paper uses an actuator disc to model the effect of the propeller. A wing optimization method is developed with the actuator disc method. Several wing optimizations with different slipstream settings are studied. The twist angle and airfoils of the wing are used as the design variables. The results show that the propeller slipstream and slipstream directions have a strong influence on the optimization process. Powered-on optimization with a slipstream can obtain better drag reduction results than unpowered optimization. The drag decomposition results show that most of the drag reduction comes from the form drag reduction. The symmetric “inboard-up” slipstream configuration is found to have the highest lift-to-drag ratios, which are 18.87 for the twist angle optimization and 19.15 for the airfoil optimization.     

涡产生器倾角对换热器内流动与换热特性的影响

为优化涡产生器强化传热的性能,通过改变三角翼式涡产生器的倾角,数值分析了倾角变化对板式换热器通道内流动与换热特性的影响,倾角变化范围为-30°～30°。获得了不同倾角下通道内的纵向涡、涡量分布,换热及阻力特性。结果表明涡产生器倾斜方向对流动与换热的影响不同,存在最佳的涡产生器倾角-10°,使得换热通道内涡产生器强化换热的性能最优;改变倾角可进一步提高涡产生器的强化传热性能,不同倾角对应努塞尔数和热性能评价因子间的最大差值分别达到8.9%和5.7%。