襟翼翼尖涡控制飞机尾流机制实验研究

为了研究襟翼小涡与主翼尖涡相交不稳定性触发条件,采用矩形机翼模型产生一对翼尖涡,同时在机翼上安装不同宽度及攻角的襟翼,对35个翼展下诱发R-L(Rayleigh-Ludwig)不稳定性的最佳涡系参数组合进行了研究。结果表明:通过水槽流动显示实验发现,单主翼尾涡在第35个翼展处未发生明显变化,能量衰减缓慢;加装襟翼后尾流不稳定性被触发,衰减效果明显,在一定范围内尾涡能量衰减值随着襟翼攻角的增大而增大;环量统计半径Rd=50mm时,对主翼尖涡环量进行PIV(Particle Image Velocimetry)分析时发现,当主翼攻角α=8°,襟翼攻角β=28°,襟翼宽度b=55mm,来流速度V=0.5m/s时尾涡能量消散最快,主翼尖涡环量在第35个翼展时衰减为第一个翼展的28%;证实通过安装合适的襟翼可以有效地控制飞机尾流,加速其破裂和消散。     

有无翼尖涡扩散器的民航机翼数值模拟计算

采用ANSYS FLUENT软件对有无翼尖涡扩散器机翼翼尖涡的形成和消散进行基于Realizable k-ε涡粘模型的数值模拟计算,以探究翼尖涡扩散器对尾流的影响。通过对比分析两种机翼的静压系数、轴向涡量、速度矢量可知:加装翼尖涡扩散器不仅可以改变翼尖处静压系数的分布,使升力系数增大;还可以阻挡下翼面高压气流向上翼面流动,将翼尖涡分隔成涡量相反的四个涡,这四个涡在流向下游的过程中彼此消耗能量,最终减小了尾流的范围。     

喷流对飞机尾流涡影响的试验研究

飞机产生的尾流涡,特别是大尺度的翼尖涡,对尾随其后的飞行器是非常有害的,本文旨在探索利用飞机发动机产生的喷流加速尾流涡消亡的方法。试验采用简化的飞机模型(有尾翼),建立了包含一对翼尖涡及一对反向旋转的尾翼涡(通过以负迎角安装尾翼得到)的4涡尾流系统。在无外来扰动的情况下,不同的尾翼设置下得到的尾翼涡对翼尖涡的作用效果不同,有的能导致翼尖涡提前消亡,有的则不能。考察了不同强度的喷流对不同4涡尾流系统的影响,且作为对比,对无尾翼(2涡系统)及无喷流下的各种情况也分别作了观测。试验在拖曳水槽中进行,运用体视粒子图像测速(SPIV)技术,观测了与模型拖曳方向垂直的、从机翼后缘到下游约45翼展间均布的一系列切面。结果表明:当喷流直接作用于涡时,其效果主要取决于两者之间的初始距离及相对强度;而当喷流作用于整个4涡尾流系统时,其引入的扰动对不同的系统均能起到一定程度的改善作用,这种作用的关键在于利用喷流优化对翼尖涡进行扰动的机制,而不仅仅取决于喷流的强度。     

Gurney襟翼对某型客机流动控制数值模拟

为改善某型客机的起降性能,通过在机翼尾缘加装Gurney襟翼,对流场进行了数值模拟。对该客机机翼的控制翼型安装不同高度的Gurney襟翼进行数值模拟,结果表明安装Gurney襟翼可以提高多段翼型的升力系数和阻力系数,但会增强尾迹流动的不稳定性。将不同高度的Gurney襟翼应用于该客机的简化模型,机翼的大部分区域符合二维翼型研究得出的流动控制规律;在机翼外侧区域,Gurney襟翼使机翼附近流场中的翼尖涡发生了一定的变化。数值模拟的结果还表明,Gunney襟翼可以提高客机的升力系数,而且不会给飞机流场带来明显的改变。     

翼尖涡流场特性及其控制

大型运输飞机的尾涡系是诱发后继小型飞机空难的重要原因,需要有效的涡控制装置来削弱其强度.通过风洞实验,研究了翼型为NACA23016的矩形半机翼模型翼尖尾涡流动结构和控制方法.应用七孔探针空间流场定量测试技术研究了翼尖涡的流动结构,给出了翼尖尾涡在下游两倍弦长距离内的速度和压力场分布随迎角变化的规律.在机翼翼梢布置不同组合方式的翼梢涡扩散器,来控制翼尖涡.研究结果表明,正负90°和60°安装角的双翼梢涡扩散器可将翼尖涡涡核的静压增加60%以上.其旋涡强度削弱机理为:翼梢涡扩散器将集中的翼尖涡破碎分成两个或多个强度更弱的旋涡.在流体粘性的作用下,旋涡能量耗散更快,可有效地削弱翼尖尾涡的强度.     

连载:兰利研究中心的创新历程(之六)涡襟翼技术的应用研究

涡襟翼概念是通过采用一些特殊设计的机翼前缘襟翼,改善对前缘涡流的控制,增加大后掠机翼的升阻比,改进飞机在跨声速飞行条件下的机动性能和在近距格斗中的大迎角机动性能。     

四涡系统构建及其特性的实验研究

飞机尾涡是与升力相关的固有流动现象,威胁着机场附近的飞行安全,同时也限制了机场使用效率。在矩形机翼翼尖以一定方式安装涡流发生器,产生与主涡旋向相反的小涡,来构建一种具有自我消散机制的四涡系统,能实现尾涡集中能力的快速消散。结合流动显示和粒子成像测速(PIV)测量,探索了在不同的参数匹配下,下游25个翼展范围内该四涡系统的空间发展过程、涡量发展曲线,以及45个翼展范围内主涡环量的衰减程度。实验结果表明,受小涡诱导,尾涡出现了相交不稳定性,主涡提前破裂,涡量随之降低。当小涡和主涡的初始环量比为-0.581、初始距离比为0.5时,45个翼展范围内,主涡环量衰减34.7%。该实验结果为低尾流机翼的设计提供了一定的参考。     

飞机尾流观测研究进展

飞机尾流观测试验是研究飞机尾流演化耗散行为的基础。受到不同大气环境的影响,针对巡航、进近等阶段的飞机尾流观测具备一定的挑战性。本文综述了以风洞和拖曳水池为主的飞机尾流实验室观测,以及以激光雷达及微波雷达为主的飞机尾流现场观测的研究成果和研究进展。尾流的风洞观测试验能较好地实现对近区内飞机尾流卷起、发展、脱落,特别是对近区内尾流合并过程(包括飞机翼尖涡、襟翼涡、水平尾翼涡、发动机喷流间的合并)的观测;尾流的拖曳水池观测试验能较好地实现对飞机尾流在扩展近区、及中区内演化过程的观测。尾流的现场观测试验能有效地获取飞机尾流在真实大气背景场中的演化耗散过程,从而为研究不同大气背景条件对飞机尾流的影响,并进而建立飞机尾流动态间隔标准提供重要参考。     

涡襟翼及其与前端襟翼组合的气动特性

应用测压、测力、七孔管测速和激光流态显示等方法对三种(等弦长、分段、台阶)型式涡襟冀进行了实验研究,并和基本翼(74°后掠三角翼)作比较。发现单纯改变涡襟翼的形式和参数能提高减阻效果,但不能改变小迎角下升力过小的现象。为此将机翼前端作成襟翼形式(前端襟翼)并配置后缘襟翼,研究了两种前端襟翼对涡襟翼的干扰,实验表明适当控制前端襟翼使分离涡不破裂,可使该布局同时具有减小阻力和增加升力的效果。     

考虑隐身约束的舰载飞翼无人机翼尖装置气动设计和分析

在隐身要求约束下,设计了舰载飞翼无人机翼下增升装置。并针对未来尾流雷达探测的反隐身技术,分析了增升装置对尾流消弱的作用,从而提高了该探测方式的隐身效果。计算结果表明,该增升装置可以较好地增加升力、减弱诱导阻力、提高升阻比,并能起到减弱尾流的作用。最后分析了增升、减阻、消弱尾流的机理,解释了在大迎角条件下气动优化效果更好的原因,并与常规布局飞机翼尖小翼的作用作了对比。     

飞机尾涡系Rayleigh-Ludwieg不稳定性实验研究

以飞机起降过程中主翼和尾翼产生反向涡系存在相互作用的事实为背景,设计了一套反向双漩涡发生装置。通过改变两涡的位置关系与初始涡强度比值,采用流动显示与粒子成像测速(PIV)技术,对涡系相交不稳定性的作用特性进行了研究。结果表明:小涡的引入改变了主涡原有运动轨迹,合理地引入小涡的位置与小涡的强度,对主涡能量的衰减有明显的促进作用,但它们之间不呈现明显的线性关系;涡空间运动轨迹的分析,对未来完善机场起降控制模型有一定借鉴意义;实验结果也为飞机整体设计提供了一定参考依据,在满足飞行力学的设计基础上,优化整体气动布局对降低飞机尾流强度有显著的影响。     

垂直起降固定翼无人机的翼尖垂尾设计分析

垂直起降固定翼无人机兼具固定翼飞机速度快、航程远和多旋翼无人机垂直起降、可悬停作业的优点,研究其翼尖垂尾对整机气动特性的影响具有重要意义。垂直起降固定翼无人机采用翼尖下垂尾的设计可以在充当垂尾使用的同时兼具翼尖小翼和起落架的作用。对比下垂尾、上垂尾、翼梢端板和常规布局四种翼尖设计,采用LBM-LES算法、壁面自适应局部涡粘大涡模拟湍流模型对四种设计的气动特性进行仿真模拟分析。结果表明:翼尖下垂尾在平飞状态时比其他三种设计气动效率更高,在垂直起降或悬停状态时,抗侧风稳定性更好。     

Flight safety,aircraft vortex wake and airport operation capacity

One of the major problems that challenge today's aeronautics is the problem of improving flight safety. A zone of increased hazard is the aerospace in the vicinity of an airport. Here, one of aircraft accidents' causes is wake turbulence generated by aircraft. The encountering of an aircraft on take-off or landing with the vortex wake of a preceding aircraft can lead to an accident especially dangerous near the ground.     

计入螺旋桨干扰的倾转机翼飞行器气动特性研究

倾转机翼飞行器不仅拥有直升机固有的垂直起降能力,还具备传统固定翼飞行器特有的高速巡航的特点,是目前军民用飞行器研究的热点之一。针对传统倾转机翼飞行器存在螺旋桨气动效率低、倾转机构复杂的问题,提出四发串列式倾转机翼垂直起降布局形式,对该布局飞行器进行总体设计,完成螺旋桨周围流场特性、螺旋桨间干扰特性、螺旋桨和机翼之间干扰特性的研究分析,并制作验证机进行验证。结果表明:该布局很好地解决了螺旋桨气动效率低、传动机构复杂的问题,具有较强的可实现性及实用性。     

大型水陆两栖飞机侧风起降的滑流影响分析

大型水陆两栖飞机AG600的动力装置为安装在机翼上的4台同向旋转涡轮螺旋桨发动机，针对1：15缩比模型带动力风洞试验显示的螺旋桨滑流对侧风起降状态的偏航力矩不稳定影响，对全机带动力风洞试验模型进行了大规模并行非定常数值计算，再现了风洞试验现象，通过流动机理分析明确其产生原因主要是左侧滑时右外翼分离和垂尾背鳍涡破裂，这些原因和数值模拟的准确性也为后期的风洞试验所证实。考虑到模型风洞试验中尺度限制造成的低雷诺数和高螺旋桨转速，为保证飞行安全，继续采用该非定常方法对全尺寸飞机真实侧风起降状态进行了详细数值分析和偏航稳定性评估。研究结果显示，在飞行雷诺数和螺旋桨转速下，相同侧风范围内风洞试验显示的流动不稳定因素基本消失，偏航稳定性允许的侧风范围明显增加。本研究实现了四发螺旋桨飞机起降状态横向气动特性的滑流影响非定常数值分析，建立了基于计算流体力学的风洞与飞行雷诺数效应的相互关系，进行了偏航稳定性的虚拟试飞评估，研究成果也为AG600飞机的首飞和飞行试验所验证。     

尾流间隔缩减技术综述

当今世界各主要机场的航班延误已经成为影响航空运输发展的瓶颈,在通过空中交通流量管理提高效率的同时,也有许多科研工作者对尾流间隔的缩减进行了大量的研究。一类技术是通过改进进近程序缩减近距平行跑道的尾流间隔;另一类技术是建立尾流的预测模型,对尾涡的消散和输运进行预测,从而产生动态的尾流间隔咨询,获得更多的着陆或起飞时隙。采用上述技术的尾流间隔缩减系统可以减少延误,增大终端区容量。根据运行原理的不同将上述技术概括为:基于偏置进近程序的尾流间隔缩减技术和基于动态预测的尾流间隔缩减技术。对采用上述两类技术的系统作了详细分析,并比较和论述了优劣。     

Morphing wing flaps for large civil aircraft: Evolution of a smart technology across the Clean Sky program

Morphing wing structures are widely considered among the most promising technologies for the improvement of aerodynamic performances in large civil aircraft. The controlled adaptation of the wing shape to external operative conditions naturally enables the maximization of aircraft aerodynamic efficiency, with positive fallouts on the amount of fuel burned and pollutant emissions. The benefits brought by morphing wings at aircraft level are accompanied by the criticalities of the enabling technologies, mainly involving weight penalties, overconsumption of electrical power, and safety issues. The attempt to solve such criticalities passes through the development of novel design approaches, ensuring the consolidation of reliable structural solutions that are adequately mature for certification and in-flight operations. In this work, the development phases of a multimodal camber morphing wing flap, tailored for large civil aircraft applications, are outlined with specific reference to the activities addressed by the author in the framework of the Clean Sky program.The flap is morphed according to target shapes depending on aircraft flight conditions and defined to enhance high-lift performances during takeoff and landing, as well as wing aerodynamic efficiency during cruise. An innovative system based on finger-like robotic ribs driven by electromechanical actuators is proposed as morphing-enabling technology; the maturation process of the device is then traced from the proof of concept to the consolidation of a true-scale demonstrator for pre-flight ground validation tests. A step-by-step approach involving the design and testing of intermediate demonstrators is then carried out to show the compliance of the adaptive system with industrial standards and safety requirements. The technical issues encountered during the development of each intermediate demonstrator are critically analyzed, and justifications are provided for all the adopted engineering solutions. Finally, the layout of the true-scale demonstrator is presented, with emphasis on the architectural strengths, enabling the forthcoming validation in real operative conditions.     

襟翼展向吹气的风洞实验研究

 本文分析了在FL-8和FL-5风洞完成的一个三角翼飞机模型展向吹气全模测力和机翼半模流态实验中的襟翼展向吹气的气动效果,并且与同一模型在同一风洞中所得到的吹气襟翼结果进行了比较。 明确了在大偏度襟翼上展向吹气,产生的集中涡是“肩线涡”,而不是“喷气涡”。指出涡控制是襟翼展向吹气增升的重要原因,而不应单纯归结为边界层控制问题。通过对喷嘴形状和参数的优选,实现了用当前发动机实际能提供的小的吹气动量系数（约0.012）取得与吹气襟翼相近的升力增量。从而有可能显著地改善飞机的着陆性能。首次采用了“两叉喷嘴”,使整个襟翼面的流动获得改善。由于这项技术结构简单、重量轻、不占用机翼内部空间、生存力强,因此可望成为飞机设计中一种可供选用的动力增升方案。     

民用飞机增升装置载荷设计技术研究

增升装置是机翼上用来改善气流状态和增加升力的一套活动面板,可在飞机起飞、着陆和低速机动飞行时增加机翼剖面弯曲度和有效迎角,因此对提升大型民用飞机的起飞和降落等低速性能,包括进场姿态有着决定性的影响。飞机在起降中一般要求尽量减小飞行速度和缩短滑行距离,同时要达到比较大的升力系数,这就意味着增升装置此时也具有较大的偏度,作用在上面的载荷也会比较大。因此,大型民用飞机增升装置的载荷计算是其设计工作中的重中之重,在民用飞机载荷设计过程中有非常重要的意义。主要介绍了民用飞机增升装置载荷的计算原理及设计方法,给出了一套襟缝翼气动和惯性载荷的工程算法。