高升阻比自然层流翼型多点/多目标优化设计

研究并发展了一套进行高升阻比自然层流翼型多设计点/多设计目标的优化设计方法。为减少设计中的计算量,使用了XFOIL程序进行流场计算。使用基于响应面方法的优化方法进行最优化计算,并使用了不含二阶交叉项的二阶多项式模型作为响应面模型,大大减少了构造模型所需的试验次数,使进行更多设计变量和多点设计成为可能。试验点的选择满足D-优化准则。研究了设计点及目标函数的选择,进行了单点/单目标及多点/多目标的设计,结果表明:多点/多目标设计可以很好的改善单点设计中非设计点性能变差的缺点,设计结果有工程实用价值。     

中空长航时无人机两段翼型设计研究

中空长航时无人机存在高效巡航、短距起降以及抗变形等多性能要求,本文在原始飞机单段翼型的基础上,开展多约束条件下两段翼型设计方法研究和翼型设计。采用控制点加分段可控二次曲线方法构建两段翼型外形,并对生成外形的控制参数、缝道参数和转轴位置进行优化设计。分析结果表明:相比于常规直接切割法,本文采用的方法控制点和控制参数更多,对原始翼型适应性更好,生成的翼型压力分布更加合理;与原始翼型相比,新设计的两段翼型在续航因子、起飞升力和起飞升阻比方面得到大幅提升;同时襟翼大角度偏转还能起到阻力板作用,达到对巡航和起降多设计点综合设计要求。     

中空长航时无人机两段翼型设计和应用研究

中空长航时无人机追求高续航性能和任务多样化,故应满足高效巡航、短距起降、抗变形等多性能要求。在原始飞机单段翼型的基础上,通过控制点加分段可控二次曲线方法并结合优化算法开展两段翼型的设计优化;利用新设计的两段翼型完成对无人机机翼内侧段(襟翼段)的改进设计及其结果分析。结果表明:改进后的无人机在续航因子、起飞升力和起飞升阻比方面得到大幅提升;襟翼大角度偏转时,在保持一定升力的同时阻力增加,满足飞机着陆减速要求;此方法可以满足中空长航时无人机巡航和起降多设计点综合设计要求。     

风力机组叶片的先进翼型族设计

大型风力机组叶片设计需要专用的翼型族,以满足风力机组运行的环境要求。高升阻比、低粗糙度影响是该翼型族的气动性能特点。为了发展我国具有自主知识产权的风力机专用翼型族,在科技部863项目的支持下,北京航空航天大学联合国内气动研究单位,通过理论分析、数值模拟和风洞试验等技术途径,开发了两个适用于大型风力机组叶片的先进翼型族。理论分析和风洞试验表明,设计结果基本达到了预先设定的气动性能指标。     

典型高升阻比飞机气动布局及其发展

飞机性能的提高、油价的上涨以及各国对环境保护的更加重视都要求飞机具有更高的升阻比。本文针对飞机减阻的主要途径,对飞翼/翼身融合布局、盒式翼/联接翼布局、层流翼布局等典型高升阻比气动布局的发展和应用前景进行了简要分析。     

翼型改型对超临界翼型气动性能影响的数值研究

为了深入研究改型对跨声速翼型气动性能的影响,对NASA SC(2)-0614翼型进行多种方案的改型,包括前缘半径、厚度、弯度、翼型上表面形状等,并得出最终优化改型方案.数值模拟结果表明,改型后翼型设计状态下升阻比和临界马赫数均有显著提高.     

高升阻比翼型和机翼的多点优化设计

研究并给出了一种适用于CFD计算的尾迹面气动力计算方法,并讨论了实现尾迹面法的气动力积分技术.数值算例的结果与传统的表面积分法的结果比较表明,尾迹面法的结果更接近于实验数据.结果还表明此计算方法利用CFD可给出工程允许的精度范围的阻力值,因此也可用于复杂外形的阻力优化计算.讨论了多目标优化及综合目标函数构造的方法;给出了基于N-S方程流场求解的高气动性能翼型的优化设计方法和算例;讨论了基于欧拉和N-S方程流场求解的三维机翼优化设计方法和算例.翼型和机翼的优化设计算例结果表明,优化设计计算方法可有效地提高翼型的升力系数和降低阻力系数,具有更高的综合气动性能;三维机翼厚度非线性分布和负扭角会改善机翼流场的流动状态、提高机翼的升阻比.算例结果也表明所提出的优化设计方法是正确和有效的.     

典型翼型参数化方法的翼型外形控制能力评估

现代飞行器的精细化设计需求要求翼型参数化方法具有精准的翼型外形控制能力。依据标准的风洞模型公差要求,以五个典型翼型作为测试翼型,分别对Hicks-Henne参数化方法、样条参数化方法、PARSEC参数化方法和CST翼型参数化方法的翼型外形控制能力进行评估,依据每个翼型参数化方法的评估结果并结合其固有特点进行适应性分析。结果表明:四种翼型参数化方法对翼型外形的控制能力存在较大差别,具有不同的适用范围。评估典型翼型参数化方法的所得结果可指导设计人员依据具体的设计需求选择适当的翼型参数化方法。     

风扇翼型气动性能的实验研究

在西北工业大学NF-3风洞二元实验段内对两种风扇翼型的气动性能进行了对比实验研究，实验采用表面测压和尾排型阻测量技术。结果表明：在风扇的工作范围内，新设计的风扇翼型的升阻比要比传统的风扇翼型增大20％左右；通过两翼型翼面弦向压力分布特性的比较，可以推知，前者的气动噪声将会比后者小。     

一种临近空间高升阻比滑翔飞行器概念设计

以常规临近空间滑翔飞行器为背景,完成了一种新的临近空间高升阻比滑翔飞行器的气动布局概念设计.首先简要介绍了飞行器的布局形式和操纵舵面配置方式,初步确定了飞行器的基本总体参数;再利用气动力快速计算方法完成了飞行器气动力的计算;在此基础上,详细分析了其纵向和横侧向稳定性与操纵特性;最后,完成了飞行器3 000 km常规射程的滑翔弹道设计和仿真.仿真结果表明,所设计的临近空间高升阻比滑翔飞行器满足热流、动压等多种约束要求,具有一定的工程应用价值.     

飞机增升装置气动力特性计算方法研究

本文给出了飞机增升装置气动力特笥的数值计算方法和计算结果，为了计算增升装置的缝隙效应和剪刀口效应，求解了粘性三维Navier-Stokes方程。为了正确 模拟大舵偏和阻力板后的大面积分离，采用了反映涡流特笥的新类型的两方程湍流模型。     

Minimizing airfoil drag at low angles of attack with DBD-based turbulent drag reduction methods

Dielectric Barrier Discharge (DBD) based turbulent drag reduction methods are used to reduce the total drag on a NACA 0012 airfoil at low angels of attack. The interaction of DBD with turbulent boundary layer was investigated, based on which the drag reduction experiments were conducted. The results show that unidirectional steady discharge is more effective than oscillating discharge in terms of drag reduction, while steady impinging discharge fails to finish the mission (i.e. drag increase). In the best scenario, a maximum relative drag reduction as high as 64 % is achieved at the freestream velocity of 5 m/s, and a drag reduction of 13.7 % keeps existing at the freestream velocity of 20 m/s. For unidirectional discharge, the jet velocity ratio and the dimensionless actuator spacing are the two key parameters affecting the effectiveness. The drag reduction magnitude varies inversely with the dimensionless spacing, and a threshold value of the dimensionless actuator spacing of 540 (approximately five times of the low-speed streak spacing) exists, above which the drag increases. When the jet velocity ratio smaller than 0.05, marginal drag variation is observed. In contrast, when the jet velocity ratio larger than 0.05, the experimental data bifurcates, one into the drag increase zone and the other into the drag reduction zone, depending on the value of dimensionless actuator spacing. In both zones, the drag variation magnitude increases with the jet velocity ratio. The total drag reduction can be divided into the reduction in pressure drag and turbulent friction drag, as well as the increase in friction drag brought by transition promotion. The reduction in turbulent friction drag plays an important role in the total drag reduction.     

介质阻挡放电对增升装置气动性能的影响

增升装置是传统构型飞机的重要组成部分,对飞行器气动性能有重要影响。将高效、简便、节能的介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge,DBD)等离子体激励器布置在增升装置附近,通过对流场进行控制来达到提高增升装置气动性能的作用。选取二维翼型GAW-1及其29%襟翼作为研究对象,在分析基础流场的基础上,固定激励器放电频率等参数不变,将单级介质阻挡放电激励器放置在几个不同位置,用数值模拟的方法研究其对翼型总体气动特性的影响。仿真结果表明,主翼上表面后缘处的激励器增升效果最好,增升达12.8%且将失速迎角推迟约2°,主翼下表面后缘的升阻比增加可达15%。     

二维翼型混合层流控制减阻技术试验研究

选择NACA0006系列层流翼型作为物理模型,使用FLUENT商用软件计算分析翼型表面压力梯度,结合对翼型后缘做局部优化修形增大顺压梯度范围以及在翼型前缘布置吸气控制单元并配套吸气装置形成混合层流控制减阻技术。风洞试验中应用红外成像技术测量翼型表面层流区域,探索研究了混合层流控制减阻技术的实用效果。试验结果表明：对翼型实施混合层流控制减阻技术后,明显增大了翼型表面的层流面积。     

高升力下二维构型阻力准确测量研究

翼型风洞试验阻力测量常使用尾迹流场测量积分求取阻力的方法,但各积分公式均建立在一定的假设基础上,有一定适用范围。在多段翼型流场N-S方程数值模拟和风洞试验的基础上,研究高升力情况下低速风洞阻力精确测量技术。通过N-S方程数值模拟求解多段翼型绕流场,分析尾迹流场的特点和常规风洞试验阻力计算公式推导时所作假设,提出新的更为准确的型阻计算公式;利用多段翼型绕流的数值模拟结果,积分表面压力和摩擦力求得翼型的气动特性,并利用计算得到的尾迹流场信息按照常规和新提出的风洞试验型阻计算公式计算阻力,将三者进行比较,检验提出的新型阻计算公式的准确性;通过风洞试验检验数值模拟得到的流场特点和新型阻计算公式。研究表明：在高升力条件下,传统型阻计算公式有很大的局限性,必须进行改进;提出的考虑尾迹区流动特点的新型阻计算公式能够得到更准确的阻力值。     

等离子体气动激励改善增升装置气动性能的试验

针对流动分离导致飞机增升装置气动性能下降的问题,进行了脉冲等离子体气动激励抑制增升装置流动分离的试验。研究了等离子体气动激励的频率、占空比及激励位置等参数对流动控制效果的影响。研究结果表明：等离子体气动激励通过加速近壁面附面层,增强附面层内的能量掺混,可有效抑制主翼和襟翼表面的流动分离,改善增升装置气动性能。在主翼前缘施加激励,可有效控制主翼表面大迎角下的失速分离,最大升力系数增大18.1%、临界失速攻角提高4°;在襟翼前缘施加激励,可有效抑制襟翼表面的流动分离,显著减小阻力,在4°迎角下,将试验模型阻力系数减小了28.7%,升力系数提高了7.1%。占空比对控制效果有较大影响,当占空比为10%～30%时,激励的非定常性更强,控制效果最好;占空比为50%的控制效果次之,占空比为100%时的控制效果最差。来流速度越高,逆压梯度越大,流动分离更难被抑制,控制效果也变差。该研究为在增升装置上应用等离子体流动控制技术提供了理论和方法的基础。     

F1方程式赛车后升力翼的气动特性

以比例为1∶3的F1方程式赛车后升力翼为研究对象,研究了后升力翼攻角变化对F1方程式赛车气动阻力和气动升力的影响规律.在攻角为12°时,气动升力与气动阻力的比值的绝对值达到最大,此攻角就是F1方程式赛车后升力翼的最佳攻角,模型风洞试验验证了这一结论.      

大型飞机增升装置气动机构一体化设计软件及其应用

为满足现代大型飞机先进增升装置多目标综合最优的设计目标,本文结合气动、机构并行设计思想,基于VB、Qt和Catia二次开发环境搭建了增升装置气动、机构综合设计软件。其中包括翼身组合体、巡航构型、起降构型和机构设计四个设计模块,用户可从不同翼身截面数据点,通过拉伸组合成用户所设计的干净构型;利用NURBS曲线使干净构型快速切割出带增升装置的曲面外形;根据缝道参数经验值和机构约束将所切增升装置偏转并设计出合适的起飞、着陆卡位模型,并配以对应卡位设计机构。本文通过对多架、多类别大型客机进行设计并按照预期设计完成切割,完成不同固定翼机型以及翼身组合体机型的切割。经过大量的设计实例验证,软件具有广泛的通用性,能够实现对任意飞机的增升装置进行快速设计。     

双垂尾对边条翼布局大迎角升力影响机理研究

对边条翼双垂尾布局的垂尾导致大迎角升力减小现象的机理进行了研究。采用CFD方法分析一个类似于F-22战斗机的模型,发现在低速大迎角条件下,脱体涡流经垂尾外侧;垂尾下部附近气流方向向后并向外;垂尾外侧存在低压区,而垂尾内侧和垂尾间的机身上表面存在高压区。认为脱体涡在垂尾外侧表面产生吸力,在涡核下方诱导出向外的速度分量,致使垂尾处于侧滑气流中,从而使其表面压力内高外低,除了产生指向外侧的法向力外,也传递内侧高压至机身上表面。外倾垂尾上向外的法向力和机身上表面的高压区,是减小大迎角升力的直接原因。