CJ828大型客机“鲨鱼鳍”式翼梢小翼的气动设计

诱导阻力是飞机阻力的重要组成部分,在机翼翼尖加装翼梢小翼是减小飞机诱导阻力的一种重要手段.针对CJ828干线客机机翼进行翼梢小翼的气动设计及研究,确定翼梢小翼的六个主要参数:展长、后掠角、尖削比、倾斜角、安装角和翼型;综合blended winglet与raked tip形式的小翼特点,从raked tip衍生出一种bladedwingtip式翼梢小翼.通过CFD技术,对设计的小翼进行气动性能计算,计算结果表明,该翼梢小翼能够有效提高CJ828机翼巡航时气动性能,减小巡航飞行时阻力,在巡航状态下升力系数提高1.50％,阻力系数降低6.80％,升阻比提高8.92％.并且,添加小翼可以延长机翼上表面的等压线长度,耗散机翼翼梢涡,降低尾涡强度,减小飞机翼尖效应的影响区域.     

运输类飞机翼尖装置综述

长期以来,人们一直力图通过改变机翼翼尖处的几何形状,研究减小诱导阻力的有效方法.展向延伸机翼翼尖是其方法之一,其他措施还有修改翼尖形状和改变其位置等.研究发现用非平面的翼梢升力系统比简单的翼尖延伸设计能达到更好的减小诱导阻力的效果,如"翼尖端板"、"翼尖帆片"、翼梢小翼等.     

基于伴随算子的气动布局优化技术及其在大飞机机翼减阻中的应用

为了提高大型飞机机翼的气动性能,发展了基于Bezier-Bernstein曲线的机翼气动布局参数化技术和网格变形技术,以及基于Navier-Stokes方程的流场解算器、伴随算子解算器和二次规划寻优算法,形成了气动布局优化软件.通过改变约束条件、设计参数范围和初始点,对机翼进行了一系列的极多参数和多约束的气动布局精细优化设计,得到了良好的优化结果,优化结果表明该优化方法是高效和可靠的.      

翼梢小翼,您注意到了吗?

<正>搭乘飞机的时候大家会注意到很多飞机在位于飞机机翼的翼梢,会有上翘的小翼或者是由上翼下小翼组成的装置,这便是飞机的翼梢小翼。尖小翼(winglet或wingtip),又称作翼梢小翼、翼尖帆或翼端帆。翼尖小翼可有效地改善飞机燃油效率和增加巡航航程。上世纪70年代美国国家航空航天局的空气动力学家R·T·惠特科姆从鸟翅膀尖部的小翅得到启发,提出了翼尖小翼的概念。在小展弦比机翼的翼梢处装一个小翼片,从而既提高了展弦比,又不会使结构质量和摩擦阻力增加很多。     

微型飞行器相关布局气动特性实验研究

微型飞行器由于飞行雷诺数比较低,其流动现象和机理比较复杂,对其进行相关的实验研究是尤其的必要且可行。本次试验通过由带有一定厚度和弯度的翼型构成的矩形机翼和反齐默曼机翼的对比实验、不同弯度的对比试验、不同参数的鸭翼实验以及翼尖小翼实验,重点分析了平面布局、弯度、鸭翼以及翼尖小翼对气动特性的影响。试验结果表明:在带有一定厚度和弯度的情况下反齐默曼气动性能好于矩形翼;适当的弯度能提高飞行器升力特性和纵向稳定性;鸭翼能有效地提高微型飞行器的气动特性;翼尖小翼能改善飞行器的升阻特性。     

翼尖装置优化设计研究

使用面元法气动分析软件VSAERO对机翼与翼梢小翼组合体模型进行数值模拟,并采用Steve Smith提出的诱导阻力优化方法对翼梢小翼的定位进行优化设计。结果表明,能够有效地预测出翼梢小翼的最优定位,在翼梢小翼优化设计中具有很好的适用性。     

民机翼梢小翼气动特性数值模拟分析研究

针对某民机翼身组合体加装不同翼梢小翼——融合式翼梢小翼和翼尖涡扩散器进行对比分析。用软件ICEM生成原始翼身组合体及加装不同小翼的翼身组合体的点对点对接多块网格技术生成高质量的数值计算网格,运用Roe三阶迎风偏置通量差分裂方法和隐式近似因子分解方法求解雷诺平均N-S方程。对两种不同翼梢小翼在巡航点进行数值模拟,得到合理的翼稍小翼几何参数;对比升阻特性数据,两种翼梢小翼都可以提高升力系数,减少阻力系数。相对原始翼身组合体,融合式翼梢小翼升阻比增加9%,翼尖涡扩散器升阻比增加6%;但翼尖涡扩散器在力矩特性上有较大优势。所得结论对民用飞机翼稍小翼设计工作具有较大的工程应用价值。     

变体翼梢小翼的减阻机理数值模拟

总结了对翼梢小翼减阻效果影响最大的几何参数,在此基础上采用数值模拟方法研究了这些几何参数的最佳变化范围,为变体翼梢小翼设计提供理论依据.并从气动性能、气动载荷分布和翼尖涡的角度探讨了变体翼梢小翼相对传统翼梢小翼的优缺点.结果表明:在飞机的起飞阶段,变体翼梢小翼的减阻效率比传统翼梢小翼高2.2%,同时将翼尖涡强度降低了15%,有利于提高飞机的燃油效率和机场空域安全;但也会增大机翼的翼根弯矩,因此必须权衡变体翼梢小翼带来的气动收益与结构强度不利因素.     

基于 Kriging模型机翼平面外形气动优化设计

使用基于Kriging模型的优化设计方法,进行了非常规布局机翼的平面外形多目标优化设计。利用CFD技术进行机翼升力系数和阻力系数的气动计算,通过拉丁超立方试验设计生成样本点,建立了Kriging代理模型,结合多目标遗传算法对机翼平面外形进行多点多目标优化设计,最终得到了Pareto最优解集。根据设计需求,从Pa-ret0前沿选取一个非劣解作为优化结果。结果表明：陆ging模型与cFD计算误差很小,可信度高;在不问设计状态下,机翼气动性能都得到了提高,表明优化设计方法具有可行性和高效性。     

高亚音速翼梢小翼的设计方法和风洞试验结果

翼梢小翼是安装在翼尖上的、比较小的、几乎垂直的、像机翼一样的表面，在相同的升力条件和亚音速马赫数条件下，它所获得的阻力系数的减小量要比相同结构重量损失下单纯的翼尖延伸的阻力系数大。主要表面安装在翼尖的后上方，较小的次要表面安装在翼尖的前下方。文章包括有关这些表面设计的讨论：测量到的这些表面对第一代窄体喷气式运输机机翼设计状态的空气动力学、力矩和载荷产生一定的影响；并且把这些影响与翼尖延伸所产生的影响进行比较，其结果是翼尖延伸翼身接合处弯矩的增加量与增加翼梢小翼后翼身接合处弯矩的增加量大致相当。这项研究的试验是在兰利8英尺跨音速高压风洞中进行的。在设计马赫数为0．78，靠近设计升力系数的情况下，翼梢小翼结构可使诱导阻力减小约20％，并使机翼的升阻比增加约9％，升阻比的这个增量比翼尖延伸获得的升阻比大一倍多。增加翼梢小翼后的俯仰力矩系数的负增长小于通过翼尖延伸获得的俯仰力矩系数。试验结构表明与翼尖延伸相比较，通过翼梢小翼得到的整体性能的改善与上翼梢小翼的安装角有明显的关系。     

民用飞机翼梢小翼多约束优化设计

采用Lagrange乘数优化方法,约束升力系数和机翼翼根弯矩,通过修改机翼 翼梢小翼组合体的结构外形,减小机翼的诱导阻力和形状阻力,提高机翼的展向效率和升阻比的大小。成功的实例设计结果表明,本文方法对民用飞机机翼-翼梢小翼的设计具有应用价值。     

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。     

Definition of Wingtip Devices Shape and Dimensions for a Subsonic Airliner

The results of flow field numerical simulation on the typical wing-body prototype of the modern DLR-F4 airliner under sub- and transonic compressible air flow are presented. Using the DLR-F4 CAD model, the effect of the wingtip end plate area and of the cant angle of a typical Whitcomb winglet is studied. The dependencies of the model lift-to-drag ratio increment on the flat wingtip end plate relative area and on the cant angle of an airfoil Whitcomb winglet are obtained. The concept of an elliptic winglet with a variable cant angle that similar to the winglet used on Airbus A350 is studied. A technique is developed for solving the multi-parameter design optimization task for the Whitcomb winglet, taking the maximum lift-to-drag ratio of the wing as a criterion for optimization.     

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。     

Optimization and analysis of winglet configuration for solar aircraft

Installing winglets can notably improve the aerodynamic performance of solar aircraft. This paper proposes a multi-constraints optimization method of winglets for solar aircraft, aiming to enhance the corresponding uninterrupted cruising capability. An optimization objective function is formed and is separately studied in aerodynamic and structural terms. Qualitative analysis shows that the winglet design parameters are restricted by four special constraints (geometry, aerodynamics, energy and stability) of solar aircraft. The optimization process is constructed on the basis of a multi-island genetic algorithm, and carried out for a 15 m wingspan solar aircraft. Although the designed winglet is not as good as the traditional winglet in terms of drag and structural weight, the designed winglet provides a better 24 h cruising capability. The sensitivity between the objective function and the design parameters is investigated, and the winglet effects vary with respect to the wing aspect ratio (AR = 10, 15, 19.6). The effect of the constraints is analysed quantitatively, and some basic laws are obtained. Moreover, the feasible design region and the possible optimal design parameters of winglets for different wing configurations are explored. The calculation results show that when the aspect ratio exceeds a certain value, the winglets will not benefit the aircraft.     

基于多级响应面法的翼梢小翼气动优化设计

 为了提高数值计算效率和准确性,提出了基于多级响应面法的确定翼梢小翼气动外形参数的一种优化方法。建立某水陆两用飞机带融合式翼梢小翼的机翼参数化模型后,先用Plackett-Burman试验设计筛选设计参数,并根据设计参数对目标函数的影响将其划分为3个等级：显著因素、次显著因素和不显著因素。为了逼近存在最大响应值的区域,用最速上升法确定95%概率水平上显著因素的设计中心点。最后用多级响应面法确定各级设计参数的最优设计点。该方法以采用计算流体力学（CFD）的计算结果为基础,选择了8个设计变量,共进行了68次试验。优化设计得到的最大升阻比为20.680 56,数值计算直接算得的最大升阻比为20.680 31,相对误差0.001%,证实了优化模型的有效性。加装小翼后,最大升阻比增加了5.62%,总阻力减少了4.13%,翼根弯矩增加了2.88%。     

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。     

不同类型的翼梢小翼在无人机设计中的应用

针对某型无人机进行融合式、双叉弯刀式2种不同形式翼梢小翼设计,对6组不同参数的小翼构型进行了基于RNAS控制方程的数值模拟计算,结果表明,双叉弯刀式小翼在气动效率的提高、横航向稳定性影响方面明显优于融合式翼梢小翼。结合数值模拟计算结果,从气动机理上对加装翼梢小翼后的纵向、横航向特性影响进行了分析,得出了2种不同形式小翼的气动特点及其各参数对气动性能的影响,其结论对中小型无人机翼梢小翼的设计提供了一定的参考依据。