关于预测急剧机翼失速的CFD的建议

文章叙述了由NASA／Navy／Air Force共同参与的急剧机翼失速项目计算流体力学（CFD）成就，论述了计算结果，提出了用于确定未来飞机研制早期设计阶段非指令性横向运动特性的方法和建议，提出了用于预测和定量表示急速、剧烈机翼失速趋势的程序和品质因数，以及计划方案的缺陷。还包括用于确定跨音速流区域非指令性横向运动临界参数以及影响预生产型F／A-18E／F飞机有害横向运动的主要几何参数。另外，分析了F／A-18E在急剧机翼失速区域稳态CFD和平均时间精确计算法的区别，并与用来测定非稳态方法的应用与准确性的非稳态试验数据进行了比较。最后，对提出的可能作为急剧分离趋势因数的计算品质因数做了精确地评估，并提出了确定这种趋势的筛选程序。     

风洞实验中机翼振动对气动特性影响的计算分析

通过求解非定常N-S方程研究了弹性机翼在低速气流中振动时的气动特性,并与刚性机翼气动特性做了比较。通过结构有限元方法计算出模型机翼的结构模态和相应振动频率,假设机翼以最小刚度的弯曲模态振动,计算了不同振幅下不同迎角、尤其是失速迎角附近的升力特性。计算结果表明,在小振幅下机翼的平均升力特性和刚性机翼相差很小,但当振幅达到一定幅度后,振动机翼下平均升力特性与刚性机翼的结果有较明显的差别,主要表现在最大升力系数的降低和失速迎角的减小。此结果可以解释实际风洞实验中最大升力系数往往小于CFD结果、实验中最大升力系数对应的迎角也比CFD结果小的现象。     

用计算流体力学解读急剧机翼失速

文章描述了在为期4年的急剧机翼失速（AWS）国家研究计划中用计算流体动力学所做的工作及获得的经验；详细论述了在跨音速机动状态现代美国战斗机和强击机遭遇到的跨音速流的复杂特性，内容包括针对这种高度复杂、有激波诱导的大分离粘性流动的网格处理、计算存储器和处理器要求、湍流模型、定常和非定常计算以及高度复杂的雷诺平均NS方程解与脱体涡模拟方法的比较。对F／A-18C飞机、AV-8B飞机、预生产F／A-18E飞机和F-16C飞机的跨音速机动状态进行了CFD模拟。模拟了各种襟翼位置，并将计算结果与大规模的风洞数据进行了比较；将结构与非结构网格获得的结果进行了对比；通过对模型在风洞中获得的表面油流和压敏涂层（psp）试验结果的定性比较以及有试验结果的详细定量压力系数数据来评估不同CFD方程式的适用性和计算精度。对比了这些计算软件和在这次研究中涉及的每种飞机的试验数据之间的静升力系数。     

民用支线飞机失速特性优化中关于机翼上表面涡流发生器的研究

飞机在飞行过程中迎角超过临界值后,机翼上表面原本附着的气流开始发生大面积分离,此时升力系数随着迎角的增大反而下降,这种现象称作失速。当飞机失速时,操控会受到很大的影响,是一种危险的飞行状态。某民用支线飞机在试飞中发现失速特性主要受滚转失速的影响,在达到最大升力系数之前就出现了不可接受的失速特性,失速进入过程中,副翼操纵效率降低较快,快接近失速时飞机出现急剧的滚转。涡流发生器在民机中有广泛的应用,可以改善机翼的流动分离从而提高失速特性,并且有改动小、可行性高等优点。拟通过在机翼上表面安装涡流发生器的方法来改善某民用支线飞机的失速特性。利用数值计算等方法设计出涡流发生器的位置、高度、偏角以及数量等参数。通过低速高雷诺数风洞试验来验证涡流发生器的实际效果,最后得出几种效果可观的涡流发生器方案。     

跨音速条件下非指令性横侧运动的历史回顾

文章论述了特定的军用飞机项目中跨音速条件下出现的非指令性横侧运动的研究结果。为NASA／海军／空军共同参与的急剧机翼失速项目研制计划提供了有用的定性资料和定量资料。由于在F／A-18E／F飞机计划研制过程中，其预生产型飞机在跨音速条件下出现了意外的、剧烈的机翼下倾运动，所以开展了急剧机翼失速程序的研究。这些非指令性横侧运动降低了飞机主要任务技术要求。虽然后来F／A-18E／F批生产型的上述问题得到了解决，但是，一个专门的高级考察小组强调，对上述现象还缺乏清醒的认识，并建议：“启动国家研究计划，以彻底、系统地研究机翼下倾现象。”由NASA／海军／空军广泛合作的急剧机翼失速项目的目的是提供所需要的技术要求。研究工作是对过去飞机研制计划中高亚音速和跨音速条件下出现的机翼下倾的历史回顾。需要特别留意的资料包括：出现非指令性运动和运动特性的特种飞机构型；飞机的几何特征；出现问题时的飞行状态；有关数据，包括风洞试验数据、计算数据和飞行试验数据；用于分析的品质因数；以及用于避免出现上述问题的方法。总结了过去经验教训，并提出了以后的研制计划。     

雷诺数对涡桨飞机增升装置气动特性影响的计算研究

雷诺数是表征流体粘性对流动影响的相似参数,对飞机部件的气动性能具有重要的影响.利用商业软件CFX对某民用涡桨飞机增升装置构型进行变雷诺数计算研究,详细分析雷诺数对升力系数、失速特性以及附面层速度特性的影响.结果表明:雷诺数对最大升力系数和失速迎角都有显著的影响;不同雷诺数下机翼分离形态变化显著,大雷诺数下机翼分离区域较小;不同雷诺数下机翼附面层状态不一致,雷诺数增大使得附面层速度型更饱满,机翼的抗分离能力增强.     

小型通勤类飞机失速特性的自由飞验证试验研究

在对某小型通勤类公务机进行风洞实验预测时,发现飞机失速后其滚转特性会发生急剧变化。在分析该型飞机风洞实验结果的基础上,采用机翼加装失速条的失速特性方法,通过缩比模型自由飞试验进行飞行验证,分析在巡航构型和着陆构型状态下原始机翼和机翼加装失速条后的试飞结果。结果表明:缩比模型自由飞试验能够验证机翼风洞试验的预测结果,加装失速条的失速特性改进方法可以改善飞机失速特性。     

低速增升装置失速特性预测研究

民机低速增升装置失速特性是具有挑战性的空气动力学难题之一,决定着飞机起、降阶段机翼处于流动分离或尾迹干扰状态时的操纵稳定性,是气动设计必须关注的重要方面。利用基于N-S方程的自研多块结构网格计算软件和混合网格计算软件,对NASA高升力梯形机翼标准模型开展了失速特性计算研究,系统评估了计算软件、计算网格、湍流模型等主要因素对失速特性的影响,获得了有效预测高升力构型失速特性的计算方案,并将其成功应用于工程实际,为增升装置失速特性计算评估提供了有意义的参考。     

基于CFD／CSD的大展弦比机翼气动弹性分析

大展弦比飞机在飞行过程中受气动载荷影响,其大展弦比机翼产生弯曲和扭转变形,这种弹性变形严重影响飞机的飞行性能和飞行安全,不能将此种飞机机翼当作传统的刚性机翼进行气动分析。针对一大展弦比机翼,采用气动／结构耦合分析方法,利用计算流体动力学（CFD）软件CFX和计算结构动力学（CSD）软件ANSYS联合求解,研究了在不同载荷情况下大展弦比机翼静气动弹性变形对机翼气动特性的影响。结果表明,大展弦比无人机机翼受载变形后升阻比降低,升力下降明显,阻力略有上升,机翼翼尖容易失速。     

评估先进飞机跨音速急剧机翼失速的综合方法

跨音速条件下的急剧机翼失速会引起非控制的滚转运动，往往会降低飞行品质、影响任务性能、降低飞行安全。最近，美国政府的一项研究项目——急剧机翼失速项目——推动了通过计算流体力学、试验空气动力学和飞行力学来探测急剧机翼失速的技术水平。因此，重要的是，将这些工具合并成一个综合的方法，不但可以识别急剧机翼失速，更可以评估急剧机翼失速引起的飞行特性，降低飞机项目的风险。评估跨音速机翼急剧失速对飞行品质的影响的主要方法是建立飞机的数学模型，精确表现飞机对急剧失速的动态响应。降低项目风险的主要方法是在采购计划中包括自由滚转风洞试验。就跨音速急剧机翼失速的评估，向飞机设计人员和项目管理人员提出了一些建议。     

F／A-18E模型机翼急剧失速的跨音速实验观察

为了研究失速期间翼面上的流动原理，一个8％的F／A-18E模型在NASA兰利中心16英尺跨音速风洞中进行了跨音速风洞试验。使用的技术方法集中在力、力矩、压力以及压力敏感测量相关的静态（或时间平均）和不稳定风洞数据与不稳定风洞失速事件上。文章集中在F／A-18E飞机的试制批构型在M数0．90时获得的数据上。通过天平随时间的变化过程和压力测量以及通过对大量仪表信号的均方根（rms）计算，获得了机翼在失速过程中发生在机翼上的动态不稳定性。其次是概括了整个有关影响机翼失速过程的压力透视。通过分离迅速前移触发的不稳定事件观察8％F／A-18E模型感受的机翼急剧失速，在一个非常小的攻角增量范围内就能迅速地使分离从后缘前移到前缘襟翼铰链线。发生分离的攻角因试验而不同，攻角增量大于1。。使用压力敏感涂料观察了同时发生在两个翼段或不对称翼段上的机翼急剧失速。在深入了解发生在机翼上表面的流动结构和这些结构可能的不对称时，压力敏感涂料数据和机翼根部弯矩数据是必不可少的。8项静态数据试验进行的重复性分析为机翼急剧失速不稳定气动特性提供了一种快速、价廉的检验。重复性分析结果与用不稳定测量技术捕获的数据非常符合，该方法必将用于确定用专用仪表测量的、更复杂的不稳定数据的试验环境。     

基于CFD的机翼结冰过程分析

采用一种适用于分析机翼结冰过程的数值模拟方法,该方法在飞机结冰气象条件下采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）对机翼流场进行计算,获得流场中二维机翼翼型的水滴撞击特性,并遵循质量和能量守恒方程,计算出机翼表面的结冰量,预测出机翼的积冰形状。所得冰形与文献中的试验数据吻合良好,表明数值模拟方法有效。另外还分析了结冰对机翼升力、阻力和压力系数的影响,其结果可以指导飞机机翼防／除冰系统的设计研究     

一种翼身融合飞行器的失速特性研究

翼身融合（BWB）布局飞行器作为下一代商用飞机的主要构型之一，越来越受到重视。对于翼身融合飞行器的研究主要针对其巡航状态的特性，而对其失速特性的研究较少。对一种翼身融合客机构型进行风洞试验研究，采用测力试验方法对其无增升装置的构型，以及具有翼梢小翼、前缘缝翼和机身上部双吊舱的组合部件构型下的纵向特性进行研究，特别是对其失速特性的分析，并通过二维粒子图像测试技术以及油流试验对其失速过程的流动机理进行研究。结果表明，无增升装置的基本构型下，翼身融合飞行器可以保持低速飞行，而各组合构型都具有提高最大升力系数的作用。对失速过程的分析表明，随着迎角的增大，飞机表面流场分离区域从翼梢开始逐渐向翼根以及机身发展，当外翼段完全处于分离区域时，飞机并不会马上失速，因为中心体同样具有提供升力的作用，且中心体的流动分离较外翼的流动分离更晚，所以当外翼在失速迎角出现升力损失时可以通过中心体的升力进行补偿，维持其低速飞行状态，真正的失速发生在中心体出现流动分离之后。     

BAe—146型飞机的失速保护系统及其故障

BAe—146型飞机的失速保护系统具有两套完全相同、互相保障的系统。每一系统均包括失速告警和失速识别两部分,为飞机的失速情况提供早期的失速告警,并为已经造成的失速情况提供失速识别。由飞行力学可知,对于某种低速或亚音速飞机,在中小迎角情况下飞行时,飞机的升力系数与迎角成线性关系。当继续增大迎角达到临界迎角时,由于机翼表面上严重的气流分离使升力系数降低,而     

翼上螺旋桨构型耦合气动特性及翼型优化设计

针对半环形式翼上螺旋桨构型，研究了螺旋桨-机翼耦合流场特性，并以短距起降（STOL）状态最优升阻特性为目标对机翼翼型进行全局优化。首先，针对螺旋桨-气动面耦合构型，通过动量源法与真实桨叶模型CFD的计算对比，分析动量源法用于该构型设计分析的可行性。其次，为得到有利于桨-翼耦合特征的新翼型，建立了翼上螺旋桨构型自由型面变形（FFD）参数化模型，采用遗传算法对翼上螺旋桨构型机翼翼型进行全局寻优设计，分析了优化翼型参数及流场变化规律。最后，将优化翼型用于三维半环形机翼，分析其流场特性与二维计算结果的异同，验证二维翼型优化的有效性。结果表明：真实桨叶多重参考系（MRF）方法不能准确计算翼上螺旋桨构型下的流场结构，而动量源法计算结果与真实桨叶滑移网格非定常方法较为吻合；采用二维动量源CFD方法进行翼型的遗传算法优化是有效的，受半涵道的保护，二维优化翼型的优势在三维构型中得到了有效继承；翼上螺旋桨构型的翼型优化应当着重关注翼面曲率变化，在本文计算状态下，通过增加桨盘附近翼面曲率、保持附着流动来加强Coanda效应，有效实现了气动增升，优化后机翼升力提高了22.51%，显著减弱桨盘后高压区并产生二次吸力峰值，同时保持了机翼负阻力特性。     

HiLiftPW-3高升力构型数值模拟

基于雷诺平均Navier-Stokes方程和拼接网格技术，采用MUSCL-Roe格式和Spalart-Almaras一方程湍流模型，对第3届高升力构型性能预测会议提供的两组高升力标模进行了数值模拟，主要目的是确认本文计算方法模拟复杂高升力构型的能力。研究内容主要包括高升力构型网格生成技术、网格收敛性研究及气动特性数值模拟。通过与JAXA （Japan Aerospace eXploration Agency）提供的测压、测力试验结果的对比分析，表明，在失速迎角之前，数值模拟得到的气动力系数和压力分布均与试验结果吻合；较好地模拟了局部外形变化引起的气动特性差量。本文建立的数值模拟方法对典型运输机三段翼布局的低速问题具有良好的适用性，可以为大飞机低速构型的气动设计及评估提供技术支撑。     

翼吊布局长涵道发动机短舱气动布局优化研究

采用CFD数值计算的方法,对翼吊发动机长涵道短舱相对于机翼的前伸量和下沉量进行优化分析。分析了发动机短舱不同前伸量、下沉量时,飞机在高速巡航状态的干扰阻力和升力损失,以及满足低速平飞最小可用升力下,大迎角状态的失速特性,并计算分析了马赫数对优化结果的影响。计算结果表明,前伸量X/C=0.1时,干扰阻力及升力损失较小;下沉量变化5%的短舱最大直径时,仅引起不到1个阻力单元的变化;前伸量及下沉量的优化结果,不会随飞机巡航马赫数的变化而产生不同结论。     

一种分布式电动飞机螺旋桨滑流影响机理

提出了一种分布式电推进螺旋桨飞机，采用二阶精度求解RANS方程的k-ω SST （Shear-Stress-Transport）湍流模型，基于多参考系（MRF）方法，针对低速特性进行数值模拟，得到了分布式螺旋桨滑流效应对全机气动特性的影响规律，重点对螺旋桨后方速度场及机翼表面压力分布进行分析。结果表明有滑流状态增加了全机升力和阻力，升力系数最大增量超过65%，且升力增量随迎角的增加而增大，改善了失速性能，增加了低头力矩；螺旋桨旋转增加了周向速度，改变了径向速度分布，增加轴向速度，高能量螺旋桨滑流改变了机翼当地升阻力特性；螺旋桨桨叶向上旋转一侧气流受上洗影响而局部迎角增加，另一侧局部迎角降低，越靠近桨盘位置，受螺旋桨洗流带来的影响越大；螺旋桨的旋转方向对螺旋桨两侧的机翼表面压力分布有较大影响，尤其是翼尖螺旋桨对全机气动性能影响较大。     

雷诺数对大型客机低速气动特性影响的试验研究

在哈尔滨气动院FL-9 增压风洞进行了某大型客机低速高雷诺数半模测力测压风洞试验,来流马赫数为0.2,增压范围为1~4个大气压。基于模型机翼平均气动弦长的雷诺数从2.9×106 到11×106。以此为基础主要分析了雷诺数对机翼纵向气动力特性的影响,结果发现雷诺数对升力线斜率、最大升力系数、失速攻角和失速特性都有影响。相对于增升装置打开后的高升力构型,雷诺数对巡航构型的影响更明显。     

WCNS格式在梯形翼高升力构型模拟中的应用研究

采用5阶精度的有限差分格式WCNS-E-5,对梯形翼高升力构型进行了数值模拟。研究了网格收敛性,WCNS格式对网格的依赖性更小。得到了与实验结果相一致的气动特性和压力分布。通过与一些著名CFD软件的计算结果比较表明,相比二阶格式,WCNS格式模拟高升力构型有明显优势,特别在失速迎角附近对流动结构的刻画更准确。同时,验证了程序对复杂外形的模拟能力和鲁棒性。