NASA TrapWing高升力标模数值模拟研究

针对NASA TrapWing高升力全展襟翼构型，采用计算流体力学（ CFD）方法进行三维复杂流场仿真模拟，考察网格尺度和湍流模型对高升力模型气动特性的影响。采用“超立方体”概念，生成绕TrapWing模型的不同网格密度高质量多块结构网格，通过求解雷诺平均Navier-Stokes方程，研究网格尺度对高升力模型气动特性的影响。在此基础上选取中等规模计算网格，考察Spalart Allmaras和Menter k-ωSST湍流模型对高升力全展构型流场模拟能力，分析湍流模型对气动特性的影响。研究结果表明：网格策略具有较好的网格收敛性；湍流模型对翼稍附近位置上翼面压力系数的预测稍有影响，SA湍流模型预测的压力系数较SST更接近实验值。确认研究工作为大型飞机增升装置数值模拟提供了一定的参考。     

结构网格方法对高升力构型的应用研究

采用"亚跨超CFD软件平台"(TRIP)数值模拟了梯形翼全展长与半展长高升力构型的复杂流场,并与试验做了对比分析。对应风洞试验是在NASA Langley 14×22英尺亚声速风洞(FST)和NASA Ames 12英尺增压风洞(PWT)中完成的。计算中采用一方程SA湍流模型和MUSCL-ROE格式,并综合运用对接/重叠/拼接网格技术,数值模拟了两种高升力构型的气动特性,给出了典型站位的压力分布,并对比研究了不同结构网格技术对此类高升力构型的计算差异。研究表明,与修正后的试验数据相比,数值模拟得到的气动力系数和典型剖面的压力分布均与试验结果吻合良好。     

湍流模型对梯形翼高升力构型的影响

采用"亚跨超CFD软件平台"(TRIP)数值模拟了梯形翼全展长高升力构型,主要目的是考察湍流模型对高升力构型气动特性的影响。相应的风洞试验是1998年在NASA Ames 12英尺增压风洞中完成的。本文采用一方程和两方程湍流模型,数值模拟了全展长高升力构型的气动特性并给出了典型站位的压力分布。研究表明,与修正后的试验数据相比较,在定常可收敛的迎角范围内,两种湍流模型得到的气动力系数和压力分布与试验结果吻合较好,SA一方程湍流模型的计算结果更接近试验值;迎角大于19.19°后,襟翼后缘的较大范围分离是导致采用SST模型不能得到收敛的气动特性的主要原因。     

多段翼型低速流场与气动特性数值计算研究

在结构化网格求解RANS方程的基础上,将嵌套网格技术应用在低速绕流气动特性计算中,并以NLR-7301两段翼型和某运输机5段翼型在起飞构型下对低速绕流流场进行数值模拟,将气动特性及流场特性的数值模拟数据与对接网格计算以及风洞实验数据进行了比较.结果表明,该气动特性计算方法有着较高的精度和可靠性.     

不同襟翼偏角梯形翼构型气动特性数值模拟

基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程和结构网格技术,采用二阶离散精度的单调迎风格式(MUSCL),结合剪切应力输运(SST)两方程湍流模型和γ-Reθ转捩模型,研究了梯形翼高升力构型襟翼偏角变化对气动特性的影响。主要目的是进一步确认Trisonic Platform(TRIP)软件模拟高升力梯形翼不同襟翼偏角引起微小气动特性变化的能力。首先,简要介绍了采用的计算方法;其次,介绍了两种襟翼偏角的梯形翼模型及风洞试验;最后,在网格收敛性研究的基础上,采用全湍流和转捩两种方式模拟了梯形翼构型不同襟翼偏角对气动特性的影响。与试验数据的对比结果表明,采用全湍流和转捩两种方式均可以较好地模拟不同襟翼偏角对气动特性的影响量,采用γ-Reθ转捩模拟方式可以提高梯形翼构型气动特性的模拟精度,失速迎角附近的气动特性模拟需要进一步研究。     

高阶精度方法下的湍流生成项对低速流动数值模拟的影响研究

基于雷诺平均的Navier-Stokes方程和结构网格技术,采用五阶空间离散精度的WCNS格式,开展了SST两方程模型不同湍流生成项对低速流动数值模拟的计算分析。主要目的是为高阶精度格式在复杂外形上的应用提供技术支撑。计算模型包含了低速NLR7301两段翼型和Trap Wing高升力构型,研究内容主要包括不同湍流生成项对收敛历程、边界层湍流粘性系数分布、边界层速度分布、压力系数分布、气动特性的影响。在与试验数据对比的基础上,计算结果表明:对于低速二维流动,不同湍流生成项对收敛历程有比较明显的影响,对附面层湍流粘性系数分布和速度型影响不明显,不同湍流生成项主要影响主翼前缘的吸力峰值,进而影响升力系数和压差阻力系统;对于低速三维流动,不同湍流生成项对低速流动的收敛特性影响不明显,对翼梢涡的模拟精度有比较明显的影响,进而影响翼梢站位的压力分布和总体气动特性。     

CRM-WBPN风洞试验模型数值模拟

基于雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程和多块对接结构网格技术，采用亚跨超CFD软件平台（TRIP 3.0），研究了共同研究模型（CRM）风洞模型支撑装置对CRM翼/身/架/舱（CRM-WBPN）模型压力分布及气动特性的影响。构造了一个包含小、粗、中、细网格的4套网格，并进行了网格收敛性研究，在升力系数为0.50条件下，开展了固定升力系数下模型支撑对CRM-WBPN模型和CRM-WB模型压力分布及挂架短舱阻力增量的影响，以及不同来流迎角下模型支撑对CRM-WBPN模型气动特性的影响。通过与NASA国家跨声速风洞设备（NTF）试验结果和CRM-WB模型数值模拟结果的对比分析，表明模型支撑对固定升力系数下挂架短舱阻力增量影响较小；在计算构型中考虑模型支撑的影响，引起升力系数和阻力系数下降、俯仰力矩系数增加，数值模拟结果更加接近相应的试验结果。     

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。     

HiLiftPW-1～HiLiftPW-3数值模拟技术综述

针对典型运输机高升力构型,源于DPW(Drag Prediction Workshop)系列会议,美国航空航天学会(AIAA)组织的高升力预测研讨会(High Lift Prediction Workshop,HiLiftPW)已经连续举办了3届(HiLiftPW-1~HiLiftPW-3)。HiLiftPW系列会议的主要目的是评估现代CFD技术模拟典型运输机高升力构型的能力,促进高升力构型的复杂流动机理研究,指明高升力构型数值模拟技术的研究方向。本文概述了HiLiftPW-1~HiLiftPW-3会议的基本情况及主要结论;介绍了历次HiLiftPW会议所采用的高升力构型及风洞试验情况;并从计算网格生成、计算方法与湍流模型、计算结果与试验结果的对比等方面总结了CFD验证与确认工作的进展;最后给出了进一步开展CFD验证与确认工作的思考与建议。     

动力效应对民机起飞构型气动特性影响的数值研究

采用在点对点多块结构化网格系统上求解三维可压缩雷诺平均N-S（Navier-Stokes）方程的方法,研究了发动机动力效应对民机起飞构型气动特性的影响.首先,通过涡轮动力模拟器风洞试验模型及民机高升力构型标准模型,对研究方法进行了验证,计算和试验结果的良好吻合说明研究方法用于模拟发动机动力效应及预测民机高升力构型气动特性是可行的.其次,针对分别安装通气短舱和动力短舱的某翼吊涡扇发动机民机起飞构型,研究了发动机动力效应对其气动特性的影响规律.结果表明:在通气短舱基础上预测的起飞最大升力系数、失速迎角以及阻力和力矩,在考虑动力效应后会产生明显的不同.动力效应可使外形最大升力系数增大并延迟机翼失速,但同时也带来了低头力矩增大和升阻比降低的不利影响.建议在对机翼及其高升力装置设计结果的数值校核中使用考虑进排气的动力短舱代替目前常用的通气短舱,这能为设计改进提供更可靠的依据.      

大型飞机增升装置气动机构一体化设计技术进展

增升装置设计作为大型客机设计的关键技术之一,其设计水平的提升将极大提高飞机的整体性能。虽然先进增升装置方案朝着简单形式发展,但其设计目标将结合气动、机构、结构、噪声等复杂考虑因素,以达到最优的综合性能和提高飞行的安全性、经济性和舒适性,是个高难度多学科多约束耦合的设计问题。结合气动优化、机构设计、一体化研究等多方面增升装置设计难点进行论述,并提出相应解决方案,最终完成气动/机构一体化设计。分别回顾了干净构型到巡航构型的外形设计方法;起降构型的气动评估、优化方法;增升装置位置表达方法和机构设计研究现状。最后阐述了气动/机构一体化设计方法的思想,总结了国内外在该方向所进行的研究和取得的成果。     

运输类飞机高升力构型数值模拟研究

高升力装置对大多数运输机的大小、吨位、经济性及安全性都有重要的影响。由于复杂的流动机理、几何外形、支撑机构及驱动系统之间的矛盾关系,导致高升力系统的设计周期很长并且很大程度上依赖于试验[1]。然而,随着计算机软件和硬件的迅速发展,近几年的工程设计中N-S方程应用日趋广泛。在空气动力学设计领域,计算机辅助设计手段已经逐步替代了过去的经验设计手段,并且国内飞机设计单位的科研人员也开始花费越来越多的时间应用流体仿真软件来达到设计目标,而不是像过去那样完全依赖试验结果去设计和分析飞机气动力特性,高升力装置设计也是如此。本文着重对著名的MSES软件和CFX软件在高升力装置模拟中的工程应用进行探索,并和风洞试验结果进行比较,初步研究了高升力装置数值模拟在飞机设计工程应用中存在的一些问题。     

翼身融合布局民机克鲁格襟翼设计

翼身融合（BWB）布局是"绿色航空"发展目标的下一代大型民用飞机的理想布局。由于高度融合的外形特点，BWB布局难以通过应用传统增升装置实现低速增升与配平的协调设计。本文采用开缝钝头克鲁格襟翼提高BWB布局低速失速特性。首先，构建了克鲁格襟翼二维参数化方法，该方法符合克鲁格襟翼运动机构特点，可准确描述几何外形与缝道配置。其次，开展克鲁格襟翼几何参数与偏转角度的影响规律研究，分析流动形态与增升机理，提出设计原则。综合考虑外形、运动机构与遮蔽效应等设计约束，以提高增升能力为目标，开展前缘开缝克鲁格襟翼优化设计。优化设计结果满足设计约束，数值分析表明其增升能力比初始外形与经典缝翼均有明显提高。最终，采用前缘开缝克鲁格襟翼与后缘简单襟翼构建BWB增升构型，数值模拟与风洞试验结果表明，增升方案能够实现升力系数要求，降低了对配平能力的需求，减小了增升装置和高升力配平设计压力。提出的克鲁格襟翼设计方法不仅适用于BWB布局，也为传统布局民机增升装置设计提供了技术支持。     

翼吊发动机短舱对增升装置气动特性影响研究

增升装置的气动效率对于全机整体性能有重要影响,而当代大多数跨音速运输类飞机均采用翼吊发动机布局。通过对有、无翼吊短舱的两个三维增升装置的数值模拟,研究了翼吊发动机短舱对于增升装置气动性能的影响。结果表明,翼吊发动机短舱会严重恶化增升装置的气动性能。流动机理分析表明,短舱挂架与机翼前缘结合处的缝翼缺口及大迎角时绕过短舱的分离气流是造成增升装置气动性能恶化的两个主要原因。     

半展长襟翼梯形翼构型数值模拟技术研究

基于雷诺平均的 Navier-Stokes 方程和拼接结构网格技术,采用 MUSCL 格式和 SST 湍流模型,研究了网格密度对半展长襟翼梯形翼高升力构型的数值模拟结果的影响。相应的风洞试验是1998年在 NASA Ames 12英尺增压风洞(PWT)中完成的,试验结果包括了总体气动特性、压力分布。研究内容主要包括网格密度对收敛历程、气动力特性、压力分布和表面流线的影响,以及气动力特性随迎角的变化。研究表明,Ma=0.15,α=16.7°时,网格密度对收敛历程、典型站位压力分布和表面流态基本没有影响,气动力特性随网格密度单调变化;采用不同密度的网格,典型剖面的压力分布与试验结果吻合良好;与修正后的试验数据相比较,数值模拟得到的失速迎角前的气动力系数与试验结果吻合良好。     

The aerodynamic design of multi-element high-lift systems for transport airplanes

High-lift systems have a major influence on the sizing, economics, and safety of most transport airplane configurations. The combination of complexity in flow physics, geometry, and system support and actuation has historically led to a lengthy and experiment intensive development process. However, during the recent past engineering design has changed significantly as a result of rapid developments in computational hardware and software. In aerodynamic design, computational methods are slowly superseding empirical methods and design engineers are spending more and more time applying computational tools instead of conducting physical experiments to design and analyze aircraft including their high-lift systems. The purpose of this paper is to review recent developments in aerodynamic design and analysis methods for multi-element high-lift systems on transport airplanes. Attention is also paid to the associated mechanical and cost problems since a multi-element high-lift system must be as simple and economical as possible while meeting the required aerodynamic performance levels.     

螺旋桨滑流对增升装置气动特性影响研究

采用准定常N—S方法,通过单独螺旋桨模型计算结果与非定常、试验结果的对比,验证了计算螺旋桨滑流的可行性。重点对带两台螺旋桨发动机的增升装置流场特性进行了计算分析,研究了螺旋桨滑流对飞机流场和气动性能的影响。研究结果表明：螺旋桨滑流明显改变了机翼表面的压力分布,使飞机升、阻力系数增大。为螺旋桨飞机设计提供了一种快速、有效的数值模拟手段,在工程领域具有一定的应用前景。     

Aerodynamic characteristics of co-flow jet wing with simple high-lift devices

Numerical investigations are conducted to explore the aerodynamic characteristics of three-dimensional Co-Flow Jet (CFJ) wing with simple high-lift devices during low-speed takeoff and landing. Effects of three crucial parameters of CFJ wing, i.e., angle of attack, jet momentum and swept angle, are comprehensively examined. Additionally, the aerodynamic characteristics of two CFJ configurations, i.e., using open and discrete slots for injection, are compared. The results show that applying CFJ technique to a wing with simple high-lift device is able to generate more lift, reduce drag and enlarge stall margin with lower energy expenditure due to the super-circulation effect. Increasing the jet intensity can reduce the drag significantly, which is mainly contributed by the reaction jet force. The Oswald efficiency factor is, in some circumstances, larger than one, which indicates the potential of CFJ in reducing induced drag. Compared with clean wing configuration, using CFJ technique allows the aerodynamic force variation less sensitive to the swept angle, and such phenomenon is better observed for small swept angle region. Eventually, it is interesting to know that the discrete slotted CFJ configuration demonstrates a promising enhancement in aerodynamic performance in terms of high lift, low drag and efficiency.     

DLR-F6翼身组合体的高阶精度数值模拟

基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程和结构网格技术,采用五阶空间离散精度的加权紧致非线性格式(WCNS)和剪切应力输运(SST)两方程湍流模型,开展了DLR-F6翼身组合体的高阶精度数值模拟研究。主要目的是确认WCNS模拟跨声速典型运输机构型的能力。采用粗、中、细3套网格开展了网格收敛性研究,从气动特性、压力分布、表面流态等方面研究了网格密度对DLR-F6翼身组合体气动特性的影响;采用中等网格开展了来流迎角对气动特性的影响研究。通过与试验数据、CFL3D软件和TRIP软件计算结果的对比,表明网格密度主要影响激波位置和压差阻力系数,同时对翼身结合部分离区大小有一定影响;采用高阶精度计算方法显著提高了气动力系数的模拟精度,力矩系数数值模拟结果与试验的差异有待进一步分析。