支线飞机的非常规/常规融合布局研究

为了在支线飞机设计中利用非常规布局的优势提高其性能,同时避免其所带来的问题,提出基于飞翼的非常规/常规融合布局。首先介绍运输类飞机非常规气动布局飞翼的突出优势和面临的问题,然后提出非常规/常规融合布局,最后通过设计方案的逐步迭代改进和优化,得到气动性能优于新一代支线飞机的非常规/常规融合外形布局方案,其中巡航升阻比提高了约7.5%、阻力发散马赫数提高了约2.5%、巡航效率因子提高了约7.5%,同时确保了飞机具有良好的机场适应性。基于飞翼的非常规/常规融合布局方案具有进一步提升性能的潜力,同时避免飞翼的其他一些不利方面,为未来非常规布局运输飞机的研究奠定一定的基础。     

高空长航时飞翼布局无人机静气动弹性研究

高空长航时大展弦比飞翼布局无人机在气动载荷的作用下所产生的较大的弹性变形,显著地改变了全机的升阻特性及静稳定性,常规的刚性飞机假设已不能满足其总体气动特性分析的精度要求.基于CFD/CSD松耦合的方法研究了大展弦比飞翼布局无人机的静气动弹性特性问题,结果表明:静气动弹性效应将显著降低这类飞机的升阻特性,并显著增加原设计配平巡航点的俯仰力矩;滚转静稳定性导数可提高41.7％,同时改善了刚体外形设计中存在的纵向静不稳定现象;局部气动载荷显著地向翼根转移,从而有利于结构设计.     

基于FFD与网格重构的飞翼无人机外形优化设计

为了使气动优化适应外形大尺度变化和外形高效参数化的需要,将外形高效参数化建模方法(FFD)与适合外形剧烈变化的网格重构方法相结合,对飞翼无人机外形完成了气动优化设计。外形参数化建模采用自由变形法(FFD),网格生成基于贴体笛卡儿自动网格重构技术,通过优化设计使飞翼无人机的气动性能得到了有效提升,布局升阻比增加了7.9%。优化结果表明,基于该技术的气动优化设计方法对大尺度变化外形具有良好的适应性。     

250座级翼身融合布局客机气动设计与优化

结合民机客舱结构设计参数和飞机总体设计参数要求进行气动布局设计,获得250座级翼身融合(BWB)布局客机初步气动设计方案.采用数值求解N-S方程的方法获得该布局在巡航和起飞条件下的纵向气动特性.结果表明,在巡航条件下α=2°时最大升阻比Kmax可达15.9.以固定巡航飞行升力系数下最小化飞行阻力作为目标优化了机翼展向几何扭转角分布.结果表明,优化后外侧机翼的负载减轻,减小了激波强度和波阻,从而提高了巡航升阻比Kcruise.Kmax由初始布局的15.9提高到20.7,Kmax由初始布局的15.4提高到19.2,与现役同座级客机接近.优化后起飞特性得到改善,巡航平飞时低头力矩减小,Cm0为更接近零的一小负数,利于操纵.     

基于代理模型的飞翼多目标气动优化设计

针对飞翼布局飞行器,采用雷诺平均N-S方程（ RANS）计算流场,使用基于代理模型的多目标优化方法进行了同时考虑起飞性能和巡航性能的多点多目标气动优化设计。在设计过程中,将飞翼的平面形状、剖面形状及扭转角同时作为设计变量（共58个设计变量）,将提高起飞时的升力系数和提高巡航升阻比为设计目标,以起飞状态和巡航状态的力矩系数作为气动约束,并以飞翼平面面积不减和剖面厚度不减作为几何约束。通过采用基于Kriging模型的多目标优化方法,以较小的计算花费得到了较好的Perato前沿。取Pareto前沿中一个最优解与基准外形的性能进行了对比,结果显示,优化外形的性能较基准外形的气动性能得到全面大幅提高且所有约束得到严格满足。     

弯折翼尖对飞翼布局飞机气动特性影响

为提升无尾飞翼布局飞机航向控制能力,以典型飞翼布局飞机模型为研究对象设计了翼尖可绕弦线方向偏转结构。基于FL-14风洞单自由度动态试验系统开展了静态和动导数试验,研究了飞翼布局飞机基本气动特性及翼尖偏转对全机气动特性的影响。结果表明：无尾飞翼布局飞机航向呈静不稳定,航向动稳定性极弱,航向增稳设计及控制很有必要;翼尖偏转有助于增强飞机的航向静、动稳定性,并很好地解决了传统阻力类舵面航向增稳时导致全机升阻比下降气动效率降低的问题;翼尖偏转能够有效改善飞翼布局飞机恶化的荷兰滚模态使之趋近于常规布局飞机模态,这有利于简化飞机横航向控制律设计方法。弯折翼尖结构具有舵面少、效率高的特点,是航向增稳的有效手段,具有应用价值。     

联翼布局多控制面纵向配平特性研究

采用多控制面配平是联翼布局临近空间长航时无人机提高升阻比、延长航时、降低起飞重量的重要措施。针对某联翼布局的临近空间长航时无人机,利用CFD计算和工程估算相结合的方式,研究了其多控制面纵向配平时的气动特性和对起飞重量的影响。结果表明,采用多控制面设计并选择合适的配平模式,可以保证在良好的配平姿态和配平纵向静稳定性下,有效提高配平升阻比,降低起飞重量。     

亚声速翼身融合无人机概念外形参数优化

为了兼顾翼身融合（BWB）布局无人机（UAV）的气动、隐身和结构重量要求,应用优化方法研究了某亚声速翼身融合无人机概念方案的外形设计问题。外形优化设计流程包括全机参数化几何外形模型、气动分析、机翼根部弯矩计算、雷达散射截面（RCS）分析、代理模型的建立和外形参数优化计算。选择了三种不同优化目标研究翼身融合无人机外形优化问题：①未配平状态升阻比最大;②配平状态升阻比最大;③配平状态升阻比尽量大和机翼弯矩尽量小。通过优化结果的对比分析,揭示了配平约束和机翼弯矩目标对优化设计结果的影响。研究结果表明：计入配平约束能够有效提高配平升阻比;将配平状态升阻比尽量大和机翼根部弯矩尽量小作为优化目标能够获得合理的优化外形。     

弹舱对飞翼布局飞机气动特性影响及其控制

以高速风洞气动力测量为研究手段,开展了弹舱开启对飞翼布局飞机气动特性影响及其流动控制试验研究。试验结果表明,对于飞翼布局飞机,弹舱开启主要影响飞机阻力特性,巡航状态下,弹舱开启后使得全机阻力增加60%～110%,Ma=0.8时全机升阻比降低34%。通过在弹舱前缘安装扰流片,对弹舱腔口剪切层施加流动控制,巡航状态下弹舱开启附加阻力最多降低20%,Ma=0.8时全机升阻比提高12.6%。     

基于并行CFD和优化技术的返回舱外形多目标优化设计北大核心CSCD

在给定的质心设计范围内,围绕球冠倒锥返回舱外形的高超声速气动单点静稳定性、配平升阻特性、质心横偏量的综合设计问题,提出了多点多目标优化设计数学模型。通过多目标优化设计方法结合并行数值模拟技术,对该多点多目标气动外形优化设计问题进行研究,为了加快多点数值计算进度,采用了嵌套并行方法,通过有效利用硬件资源来提高多个状态气动数值求解效率。根据以上方法给出的最优设计边界指出了返回舱单点静稳定性与配平升阻比和质心横偏量的矛盾关系,改善单点静稳定性会导致配平升阻比下降,使质心横偏量增加;反之,配平升阻比增加,质心横偏量减少都会使单点静稳定性变差。     

考虑放宽静稳定度的民用客机气动优化设计

为了更加有效地减小民用客机考虑配平约束后的阻力,针对典型跨声速民用客机机翼-机身-平尾构型研究了不同静稳定度下的气动优化设计,并总结出在民用客机的减阻设计中考虑放宽静稳定度具有较大的减阻潜力。通过自由型面变形(FFD)技术对全机外形进行参数化,实现机翼型面的变形,进行气动优化设计并改变平尾的偏转保证全机能够力矩配平。采用基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程的离散伴随方法求解目标函数对设计变量的梯度,然后基于序列二次规划算法进行基于梯度的气动优化设计。基于CRM(Common Research Model)构型,针对不同参考重心位置进行了考虑配平约束的减阻优化设计研究,验证了优化设计系统的有效性,算例结果表明,随着重心位置后移即放宽静稳定度,优化构型配平阻力减小,外翼段前缘吸力峰值明显降低且双激波的强度得到有效减弱,此外机翼的升力系数分布更加贴合最佳升力系数分布。     

螺旋桨/机翼耦合下的目标螺旋桨滑流设计

针对分布式电推进(DEP)构型等具有多螺旋桨特征的飞行器,发展了通过优化螺旋桨滑流来达到提高机翼升阻比的方法。提出了一种可以获得目标诱导速度分布的螺旋桨设计方法,基于面元法发展了一套可以快速计算螺旋桨机翼干扰的气动程序Prop-wing,基于Kriging代理模型建立了一套高效的优化方法获得最优的螺旋桨诱导速度分布提高机翼升阻比。优化结果显示当拉力保持相同时,螺旋桨桨毂附近的轴向诱导速度越大,下游机翼的升阻比越大。在不对螺旋桨功率进行限制时,优化后的螺旋桨使得下游的翼段阻力相比较安装最小能量损失设计的螺旋桨的翼段减少了1875%,而翼段升阻比提升达到了2563%,当优化螺旋桨功率被限制后,翼段升阻比提升为962%。虽然升阻比的提升需要付出螺旋桨效率下降的代价,但是研究还是给分布式动力滑流的利用提供了一种思路。      

三维机翼气动结构多学科优化方法

采用Euler方程、连续伴随优化方法、自由形面变形技术（free-form deformation,FFD）以及一种四边形线性壳单元模型对三维机翼气动结构多学科优化方法开展了研究。目标函数为阻力系数和机翼翼盒结构质量的加权和,设计变量为FFD控制点以及10段蒙皮的厚度。气动方面升阻力系数对设计变量的梯度由伴随方法求得,结构方面翼盒质量对于蒙皮厚度的梯度可直接计算,应力的梯度采用有限差分方法获得。对跨声速大展弦比机翼进行气动结构多学科优化,并将该计算结果与机翼气动单学科优化设计后的静气弹计算结果进行对比,结果表明:该气动结构多学科优化方法能够在满足约束条件下,实现阻力系数和翼盒质量同时降低,保证优化结果的合理性。      

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.     

Aerodynamic Design Methodology for Blended Wing Body Transport

This paper puts forward a design idea for blended wing body(BWB).The idea is described as that cruise point,maximum lift to drag point and pitch trim point are in the same flight attitude.According to this design idea,design objectives and constraints are defined.By applying low and high fidelity aerodynamic analysis tools,BWB aerodynamic design methodology is established by the combination of optimization design and inverse design methods.High lift to drag ratio,pitch trim and acceptable buffet margin can be achieved by this design methodology.For 300-passenger BWB configuration based on static stability design,as compared with initial configuration,the maximum lift to drag ratio and pitch trim are achieved at cruise condition,zero lift pitching moment is positive,and buffet characteristics is well.Fuel burn of 300-passenger BWB configuration is also significantly reduced as compared with conventional civil transports.Because aerodynamic design is carried out under the constraints of BWB design requirements,the design configuration fulfills the demands for interior layout and provides a solid foundation for continuous work.     

低雷诺数多螺旋桨/机翼耦合气动设计

以临近空间太阳能无人机研究为背景,针对高空低雷诺数状态下多螺旋桨/机翼构型进行了耦合气动设计研究。首先,通过对典型多螺旋桨/机翼构型进行气动特性及流动特性分析,提出了以在多螺旋桨滑流影响下构建机翼近壁面理想流态分布形式为核心的低雷诺数多螺旋桨/机翼耦合气动设计思想;然后,基于该耦合设计思想,依次进行了多螺旋桨布局参数设计研究、低雷诺数流态区域二维翼型设计研究以及近似高雷诺数流态区域耦合螺旋桨滑流影响的机翼翼段设计研究;最后,通过相关设计结果的对比分析验证了所提出低雷诺数多螺旋桨/机翼耦合气动设计思想及设计方法的有效性和可靠性。结果表明：与常规仅进行低雷诺数翼型优化得到的设计结果相比较,基于所提出低雷诺数多螺旋桨/机翼耦合设计思想设计得到的多螺旋桨/机翼构型气动特性得到显著改善,在设计状态下,多螺旋桨滑流影响下的机翼阻力相对降低达8.8%,升阻比相对增大达12.1%,由多螺旋桨滑流为机翼气动特性带来的不利影响亦得到约64.5%的补偿和改善。     

250座级翼身融合无尾布局客机操稳特性设计研究

 翼身融合(BWB)飞翼布局是未来新一代客机的热点方案之一,然而由于没有常规尾翼,面临着稳定性和操纵性方面的困难。为此,在一架250座级BWB客机布局设计研究基础上,根据平衡、增稳和机动等要求,设计了操纵面配置方案;根据适航要求和电传飞机飞行品质要求设定增稳目标,并将其直接纳入特征结构配置要求中,通过前向通道修正响应类型,保证获得与飞行阶段相适应的响应特征和满意的飞行品质参数;为了提高安全性,在增稳控制设计基础上,在指令回路增设了姿态保护和限制模块。研究结果表明, 该设计方案能够提供较合适的稳定性和操纵性,控制增稳后具有满意的飞行品质,保护模块可达到预期效果。     

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%。      

基于连续伴随方法的高超声速飞行器高精度气动优化

高精度气动优化是改善高超声速飞行器气动性能的必要途径。基于Navier-Stokes方程推导了连续伴随方程以及与气动力目标函数对应的边界条件和壁面灵敏度公式,考虑了层流输运系数变分对伴随方程的贡献,采用基于二阶熵修正Roe格式的伴随对流项离散形式,构造了适用于高超声速流动的连续伴随求解器;结合FFD （Free Form Deformation）参数化方法和SQP （Sequential Quadratic Programming）优化算法构建了高精度梯度优化框架;在高超声速来流条件下对二维翼型和Sanger飞行器机翼优化开展了验证和应用。结果显示,在高超声速流动条件下所采用的伴随对流项离散形式具有较好的鲁棒性和低耗散性;连续伴随求解器能够较好地给出气动力目标函数梯度;优化后Sanger机翼构型通过二次激波压缩实现了减阻增升,升阻比提高5.0%;验证了连续伴随优化作为高超声速飞行器高精度气动优化方法的可行性。