翼型研究的历史、现状与未来发展

"翼型"俗称翼剖面或叶剖面,是飞机机翼及尾翼、导弹翼/舵面、直升机旋翼、螺旋桨、风力机叶片等外形设计的基本元素和气动力的"基因",也是影响综合气动性能的核心因素之一.自20世纪初莱特兄弟发明人类第一架飞机以来,翼型研究的每一次重要突破,都有力促进了航空飞行器的更新换代或性能的大幅提升.除了发展RAE、DVL、NACA、TsAGI等通用翼型族外,研究者们还针对性地发展了适用于各类飞机的翼型族,以及适用于直升机旋翼、螺旋桨和风力机叶片的专用翼型族.进入21世纪,随着现代数值模拟方法、流动稳定性与转捩预测、优化设计、试验测试技术等研究的进步,各种新的设计理念、优化方法和设计技术相继被提出,翼型研究也被赋予了新的使命和内容.本文立足飞行器设计和翼型研究的前沿,在回顾100多年来翼型发展历程的基础上,重点综述了翼型研究的最新进展,分析了研究现状,提出了未来发展方向.新一代翼型将适用于未来飞行器的发展需求,在宽速域、大空域、多物理场及智能变体等复杂使用条件下兼具优良的多学科综合性能.     

大型水陆两栖飞机翼型优化设计

对大型水陆两栖飞机翼型进行了数值优化设计研究,通过以翼型设计升力系数下的阻力系数最小化为设计目标和以翼型低头力矩、最大升力系数、失速后升力系数下降率作为约束条件的大型水陆两栖飞机翼型优化设计,在满足翼型相对厚度、最大厚度位置、最大弯度、最大弯度位置符合相应设计范围的情况下,得到了综合性能较基本翼型提高的新翼型.该设计方法适用于大型水陆两栖飞机的翼型设计,是一种符合工程应用实际的数值优化设计方法.      

飞翼布局翼型系列设计进展

针对飞翼无尾布局飞机开展了基础翼型研究.归纳了飞翼布局翼型的设计特点和研究进展,提炼了飞翼无尾布局复杂的气动设计需求,总结了其展向气动分布特点,根据不同分区提出了翼型气动设计要求,并建立了分区翼型设计模型,形成了飞翼布局分区翼型系列.由于传统翼型设计模型未能考虑横流效应,导致翼型设计结果应用到三维布局上不能达到理想效果,提出了"全局+局部"的翼型多学科设计方法,根据飞翼布局分区翼型气动设计要求,建立了基于分区翼型设计模型的高效代理模型全局优化设计与三维布局环境下多剖面翼型局部优化设计的多学科协同设计方法.这种"全局+局部"的设计方法能够快速实现满足飞翼布局分区多剖面、多种性能要求的翼型设计,有效提高了设计翼型的性能与设计效率.最后以类X47-B布局为例,进行了翼型系列设计,验证了该方法的可靠性.     

无尾飞机的高性能翼型设计研究

针对无尾布局飞机高升阻比与小低头力矩的翼型设计要求,在研究前加载与后卸载对翼型气动力影响的基础上,基于前加载与后卸载设计思想,采用调整翼型的厚度与弯度及其分布的翼型设计方法,很好地解决了无尾布局小低头力矩翼型设计问题,实现了具有高升阻比、小低头力矩的翼型设计目标。结果表明,该方法简单、易行,结果可靠,具有较好的工程实用性和操作性。     

翼型风洞试验技术研究现状

准确可靠的翼型气动性能预测对于飞行器的研制至关重要.在数值模拟技术日益工程化的今天,对通过风洞试验获得翼型气动性能的要求也越来越高.针对翼型风洞试验技术进一步发展的目标和实现的技术路径,在资料调研的基础上,结合翼型、叶栅空气动力学国家级重点实验室的研究进展,对翼型静/动态性能测试技术、模型表面流动转捩探测技术以及翼型试验中洞壁干扰控制与修正技术的最新进展和存在的问题进行了总结与分析.研究表明:1)翼型试验有其固有的特殊性,需对硬件条件的建设给予足够的重视;2)现代数据信号处理技术是翼型静/动态试验技术发展的重要方向;3)对洞壁干扰的控制与修正方法仍需结合具体试验场景加强研究.     

大型飞机超临界翼型设计与优化

从初始翼型开始,利用型函数生成几何扰动量叠加到基本翼型表面,以型函数的权系数为设计变量,对翼型进行优化设计。在ISIGHT平台下集成以下三个模块:利用C++语言编写一个翼型关键点生成程序,来实现优化参数的计算;将生成的翼型数据点,调用并导入到GAMBIT内,由GAMBIT生成网格后结束GAMBIT;调用FLUENT对GAMBIT生成的网格进行流场计算;最后应用ISIGHT优化算法库中的遗传算法对FLUENT的计算结果进行分析,实现整个优化流程的自动化。以CJ818飞机为例,采用超临界翼型作为初始翼型,应用上述方法进行优化,结果表明此方法能设计出符合条件的基本翼型,有一定工程应用价值。     

未来高空长续航力概念飞机的超临界翼型设计

文章描述了工作于超临界速度条件下的一种新的未来高空长续航力飞机层流翼型的设计和分析，使用XFOIL和MSES计算程序设计、改进和分析翼型。这种翼型有足够的厚度和特性满足美国空军研究实验室的传感器飞机(SensorCraft)的一组要求，该飞机采用联合翼布局，前视图和俯视图都是钻石形的。这个传感器概念飞机的几何形状和工作高度及速度是决定翼型设计的条件。这种翼型的低阻区占了很大的升力系数范围。附面层转变位置在上表面位于弦长60％处，在下表面位于弦长70％处，其特点在于层流分离气泡的尺寸随着攻角增加而减小。与附面层转变参数一起进行了灵敏性研究以观察雷诺数和马赫数的影响，还需要进一步的实验工作验证这个设计。     

低速通用飞机机翼低成本精细化设计

针对低速通用飞机升阻特性的低成本精细化设计,通过合理地简化模型,建立了一种将翼型升阻比曲线斜率作为附加设计约束的机翼工程优化设计方法。基于该优化设计方法,利用低成本快速设计分析工具开展了优化设计,并对设计方法及结果进行了风洞试验验证。试验结果表明,所提方法能够有效提高机翼最大升阻比,同时使最大升阻比对应的升力系数逼近巡航工况,进一步挖掘了低速通用飞机的经济性潜力。     

低速翼型升阻特性实验台的设计与分析

翼型升、阻特性实验是空气动力学课程的一项重要实验项目。文章详细阐述了低速翼型升阻特性实验台的设计过程,分析了自制翼型的风洞实验结果。结果表明:实验台工作可靠,实验数据重复性好。该实验台采用了腹撑系统迎角机构、机械式天平及数字测力仪等构件,具有实验成本低、形象直观等特点。     

先进无人机翼型气动设计方法研究

探讨了传统的优化设计方法和反设计方法在翼型设计中的应用,针对遗传算法存在计算量大、精度低的不足,以及反设计方法难以提供合理目标压力分布的难题,为提高已有气动设计方法的工程实用性,将基于遗传算法的优化方法与反设计方法结合起来进行了翼形的气动外形设计.结果表明,所采用的翼型设计方法是正确、有效的.