扇翼飞行器机翼布局研究

研究主要分为三部分:首先,建立扇翼飞行器机翼的数学模型.说明扇翼飞行器的增升原理;其次,使用CFD软件对扇翼飞行器的机翼进行数值模拟,得出可行的机翼模型设计方案;最后,设计风洞试验模型并进行风洞测力和粒子图像测速试验验证,结合理论计算和风洞试验结果,给出一套适合本模型的机翼布局方案.研究结果表明,适合本模型的参数如下:机翼风扇叶片偏角取值范围为5～10°,叶片宽度取20mm,风扇转速2000r/min左右,平飞速度5～10m/s,平飞时机翼迎角4°.     

扇翼飞行器的研究进展与应用前景

随着科学技术的迅猛发展,飞机无论在构型还是性能方面都获得了飞速发展,但是新原理飞机的研制却进展不大。扇翼飞行器是近期发展起来的低速大载荷新型飞行器,它是不同于现有固定翼、旋翼飞行器的新构型、新原理飞行器。而国内对于该飞行器的研究才刚刚起步,可参考的文献资料很少。因此,本文通过国内外扇翼飞行器发展状况的研究,对扇翼飞行器研究进展进行总结分析。首先介绍了扇翼飞行器的飞行原理;其次系统地回顾了扇翼飞行器的提出,并总结了其在国内外研究的进展情况;接着根据扇翼飞行器近期的发展动态,对该飞行器的应用前景作出分析;最后总结了扇翼飞行器发展中亟待解决的关键技术,以及其未来发展的难点和趋势。     

扇翼飞行器气动特性优化设计

采用多目标优化和数值模拟结合的方法对扇翼飞行器气动特性进行了优化研究。CFD计算结果与文献结果对比,验证了数值方法的可靠性。计算得到多结构参数影响下扇翼飞行器高升力、低阻力的优化结构参数和主要影响因素。研究结果表明,建立的近似数学模型和优化结果精度较高,满足工程需要。优化后,扇翼飞行器的升力和推力较大,飞行器气动特性得到显著改善。     

基于扇翼机翼升推力机理的吹气机翼研究

基于对扇翼飞行器升推力产生机理的数值计算与分析，提出了一种扇翼飞行器机翼的替代方案——吹气机翼。分析了扇翼机翼升推力的产生机理并在扇翼机翼翼型的基础上构建了吹气机翼翼型。建立了两种机翼翼型的数值计算方法，通过对比相对静压分布曲线、速度云图和压力云图，证明了吹气机翼具有与扇翼机翼一样的升推力产生方式，即涡致升推力的形成机制。通过将横流风扇加速后气流流速定义为吹气机翼吹气速度，对比了两种机翼升推力随来流速度和迎角的变化关系。结果表明:两种机翼的升推力变化趋势基本一致，仅在迎角大于20°时，吹气机翼推力值相较扇翼机翼损失了近5倍。总体而言，在常规飞行状态下，吹气机翼能够替代扇翼机翼，为相关飞行器的增升和优化设计提供了一种思路。      

微型扑翼飞行器的气动建模分析与试验

用计算流体力学的数值模拟方法研究了微扑翼飞行器的扑翼飞行的非定常空气动力学问题。在对昆虫扑翼飞行运动的仿生模拟基础上 ,对实际可飞的微扑翼飞行器的扑翼运动建立了三维翼型的运动学与空气动力学模型。利用任意拉格朗日欧拉 ( ALE)有限元方法求解出 N-S方程的数值解 ,证明简单扑翼布局所提供的升力足以克服微扑翼飞行器本身的重力使其飞行。在此基础上 ,分别计算并分析了拍动幅值、俯仰幅度以及扑翼频率等各种扑翼参数对升力的影响。最后 ,探索性的扑翼风洞试验与飞行试验结果在一定程度上验证了文中计算方法的可行性      

扇翼流动机理数值模拟研究

以扇翼的气动特性(高升力)为关注焦点,对扇翼流动的流场结构细节进行了数值模拟研究。对有推力二维Lockheed C-141超临界翼型进行数值模拟,验证和确认了扇翼流场的数值模拟方法,并数值模拟了扇翼旋转时的流场结构。结果表明,其高升力来源于固定翼部分上表面高速流动的射流,而这种射流正是由叶片旋转带动扇翼内部流体不断加速喷射得到的。扇翼内部的流动是复杂的非定常流动,存在多种尺度的旋涡、湍流边界层及二者的相互干扰等,使气动力高频振荡,进而可以预测相当的气动噪声是不可避免的。将算法应用于扇翼飞行器的外形设计优化阶段,得到了若干构型的气动性能,为下一步开展的无人机研制工作提供了指导。     

柔性-刚性混合翼微型飞行器气动特性研究

提出了一种将柔性翼和刚性翼相结合的柔性-刚性混合翼微型飞行器新概念布局型式，通过与刚性翼微型飞行器的风洞对比试验研究了该新概念布局的气动特性。在此基础上，进行了柔性-刚性混合翼微型飞行器试验原理样机的飞行试验验证。风洞试验和飞行试验研究结果表明：柔性-刚性混合翼微型飞行器的新概念布局是可行的；与刚性翼微型飞行器相比而言，柔性-刚性混合翼微型飞行器具有更好的气动特性，对解决微型飞行器抗风稳定飞行问题是有效的。     

柔性翼小型无人飞行器试验样机研究

通过对柔性翼小型无人飞行器试验样机的研制试飞和相关气动分析与试验,研究了解决柔性翼小型无人飞行器的气动性能、飞行性能和操纵稳定性的思路和方法。试验样机试飞与相关风洞试验结果表明,可折叠柔性翼小型无人飞行器飞行稳定,操纵反应适当,具有广阔的应用前景。     

结构/非结构混合网格数值模拟栅格翼

为了详细了解栅格翼内部的流动特性,设计满足飞行器性能要求的栅格翼,本文开展了多种不同单栅格外形的气动特性数值计算,对单个栅格的外形进行了初步选型研究;然后采用结构网格、结构与非结构混合网格求解NS方程,对带有两片栅格翼的导弹进行了数值模拟,结构网格计算结果与结构非结构混合网格计算结果一致,并与国外文献的计算结果和风洞试验结果进行了对比,三者的结果吻合较好.采用混合网格比结构网格的网格规模小许多,可以节省大量计算机内存和计算时间,是一种比较好的栅格翼数值模拟方法.     

仿生微扑翼飞行器机构动态分析与工程设计方法

以工程应用为背景,从全局的角度提出了一种仿生微扑翼飞行器的动态分析与设计方法。在对鸟类的飞行参数进行统计分析的基础之上,拟合出扑翼飞行的仿生学公式,并据此进行了微扑翼飞行器的仿生学初步设计。根据仿生学结果设计了飞行器的传动布局、动力方案以及总体结构,并按照运动学分析、气动力分析以及动力学分析相结合的动态分析方法研究了微扑翼飞行器的动态特性。在动态分析的基础上进行了飞行参数的优化设计,使得微扑翼飞行器达到性能最佳。样机制作及风洞试验结果证明了这种方法的有效性与可行性。所得研究结论对微扑翼飞行器的设计、制作和应用提供了一定的理论依据。     

一种新型半转扇翼气动特性的数值分析

半转扇翼是基于半转机构的一种新型活动性叶轮扇翼，其叶轮运动原理不同于普通扇翼的固定叶轮，为使其在工作时获得较优的气动力，需要对不同结构参数与运动参数下的半转扇翼进行具体探究。本文通过数值计算方法对半转扇翼叶轮偏角、底槽相位与叶片数目的影响做了详细的计算与剖析，并对比分析了不同来流速度与转速对半转扇翼气动特性的影响。计算结果表明：叶轮偏角是影响扇翼升推力的主要因素，其在20°～40°时取得较佳气动力效果；不同底槽前后缘开口角（φ，β）下扇翼的气动特性也有所差异，使用C （φ<β）型与U （φ=β）型底槽的机翼具有较好的综合气动特性优势；叶片数目亦对扇翼的气动力有所影响，叶片数目在10～14时足以达到半转扇翼的气动力需求。与固定叶轮扇翼相比，半转扇翼在同样转速与来流速度下能产生与之相近的气动力，从而明确了半转扇翼拥有良好的基本气动特性。     

串列式扇翼布局流动特性数值研究

扇翼能够通过前缘横流风扇的高速旋转对前方来流进行加速和重新整流。利用这一特点提出了一种串列式扇翼布局,其由一定间距和空间高度分布的前后双排或多排扇翼组成,并基于二维模型对该布局开展了流动数值模拟,分析得到了不同前后间距、高度差以及排数下串列式扇翼布局的升力和推力特性。结果表明,相对单个扇翼,在合适的设计参数下串列式扇翼可得到更大的单排平均升力和推力,其中间距一倍风扇直径的四排扇翼平均升力和推力分别提高了约10%和30%。基于扇翼附近流场分布和翼型上下表面压强分布,分析了引起升力和推力提升的原因。该研究可为未来设计具有更好低速大载荷特性的扇翼飞行器提供参考。     

基于结构网格的栅格翼绕流数值模拟

针对栅格翼这种复杂的构造形式,采取有效的多块结构网格生成策略,对栅格翼导弹生成高质量贴体的结构网格。在此基础上,通过求解N-S方程,对栅格翼导弹亚、跨、超声速绕流流场进行了数值模拟。计算结果与风洞试验结果吻合较好,能够准确地捕捉到栅格框内复杂流场的流动特性,从而结构网格生成策略与计算方法得到验证,为栅格翼导弹绕流流场的精确数值模拟提供了技术途径。     

地效翼风洞试验支架干扰数值分析

对地效翼移动地面风洞试验研究中的支架干扰进行了数值模拟和分析。分别对独立地效翼,带支架的地效翼及独立支架进行了数值模拟,计算采用可实现的κ-ε模型,通过求解定常不可压N-S方程,得出地效翼及支架周围流场分布情况。对几组计算结果比较分析了支架和地效翼的空气动力及由于干扰引起的空气动力,发现支架与地效翼之间的相互干扰随着地效翼迎角的增大而增强,如果忽略流动干扰造成的空气动力变化,地效翼升力误差很小,但阻力误差相对较大。同时对有干扰下和没有干扰下的流场进行了对比,分析了支架对翼尖涡流动及绕机翼流动的干扰。翼尖涡在地效翼翼尖附近的发展在0．5犮范围内基本不受支架的干扰;除支架对流场产生干扰外,移动带区域以外的固定地面附近粘性流动也对绕地效翼流动有一定的影响。本研究分析了风洞试验结果的可靠性,为地效翼风洞试验优化设计和地面效应风洞试验研究提供了参考。     

不同柔度的柔性翼气动特性实验研究

为了研究不同柔度的柔性翼气动特性和抗风性性能,制作了九种不同柔段的柔性翼,利用西北工业大学微型飞行器专用风洞对其进行初步的风洞试验,在实验中进行了不同风速,不同迎角对柔段的气动特性研究。通过试验优选出气动特性较好的柔段,为柔性翼微型飞行器的总体设计和气动特性提供参考。     

飞行器大迎角下俯仰静、动导数的数值计算

 采用一种适用于非定常流动计算的逐次超松弛（SOR）时间推进方法耦合求解非定常Navier-Stokes方程和强迫运动方程,数值模拟了NACA0012翼型、弹道外形(HBS)和有翼导弹等飞行器在不同初始迎角下做强迫俯仰振荡的黏性动态流场,给出动态气动力及力矩系数的时间历程;采用积分法获得飞行器的静导数和动导数,将计算结果与实验结果及半经验理论预测方法进行比较并分析飞行器在大迎角下动态特性的非线性特征;计算结果与实验值相吻合,表明本文采用的非定常数值模拟方法在大迎角下能够较准确地模拟飞行器的动态特性,具有工程应用价值。     

多段柔性变体扑翼飞行器设计

多段柔性变体扑翼模仿海鸥翅膀的复杂运动.观察海鸥翅膀的运动周期,设计了包含慢频率扑动、展向折弯、弦向扭转和结构柔性变形的扑翼模型,并应用准定常方法计算气动力,为该扑翼飞行器设计提供依据.在CATIA和3DMAX中设计多段柔性变体扑翼机的三维模型和运动模拟,制作样机进行飞行试验,研究其平飞、爬升、偏航等飞行姿态,结果表明升力和推力与数值计算结果吻合.相较于原有扑翼飞行器,多段柔性变体扑翼飞行器可以慢频率扑动飞行,调整扑翼形状.      

飞行器亚、超音速气动载荷数值计算

应用Greem函数法数值模拟飞行器的气动载荷。给出了求解亚、超音速定常和非定常载荷的统一方法。数值模拟中釆用双曲四边形代替四边形元素;采用联合流场概念改进诱阻计算;并用计算机绘图原理核查输入的几何参数是否正确。以矩形翼及双三角翼航天飞机(089B模型)为例进行了数值模拟,结果与试验数据符合较好。     

汽车风洞支撑干扰扣除方法研究

借鉴航空风洞镜像法原理,提出一种针对汽车风洞支撑气动干扰扣除的方法。在汽车风洞中完成汽车模型和天平支撑连接或分离的两次风洞试验,得到了汽车模型的气动力和支撑对汽车模型的干扰力之和。为了扣除模型支撑对汽车模型气动力测量的影响,在进行风洞试验的同时,应用CFD软件进行工况完全一致的数值仿真,计算模型支撑对不同车型气动阻力的影响。最后,通过归纳的修正公式将数值仿真获得的影响数值转化为汽车风洞试验的影响数值,获得汽车风洞试验的最终阻力系数结果。结合风洞试验和数值仿真的研究结果表明两种方法互相验证,互相补充,可以解决汽车风洞试验时支撑干扰扣除的实际工程问题。     

天宫飞行器过渡流区高超声速绕流N-S/DSMC耦合计算

针对类天宫飞行器服役期满再入大气层多次解体过程残骸碎片绕流对气动特性干扰影响的问题,在数值求解N-S方程的CFD和DSMC方法程序研究基础上,采用MPC耦合处理原理,发展了基于Chapman-Enskog非平衡速度分布函数的耦合区域双向信息交换亚松弛计算技术,建立了适于残骸碎片两体不同间隔绕流干扰流场的N-S/DSMC耦合算法。对天宫飞行器两舱结构体在过渡流区低密度风洞试验状态进行了耦合计算,计算结果与风洞试验结果吻合很好,验证了所建立的耦合算法对再入解体残骸碎片气动特性计算的有效性和可靠性。通过对天宫飞行器解体碎片的简化外形球和球柱体在过渡流区高超声速两体干扰气动特性进行不同间隔绕流场耦合计算分析,结果表明,在一定的距离范围内,两体干扰会对残骸碎片的气动特性产生较强的影响,不同的残骸碎片外形在不同距离的干扰规律不一致。计算结果为天宫飞行器再入解体气动融合轨道数值预报提供设计依据。