考虑动力影响的大型运输机增升构型气动特性研究

为满足现代大型运输机增升系统高效、稳定的设计需求,以某型运输机增升构型为研究对象,通过数值模拟方法研究了动力因素对全机气动特性的影响。数值模拟结果表明:在动力因素影响下,全机最大升力系数增加46.2%,失速迎角增加11°;全机静安定度降低30.89%。通过流场机理分析可知:动力因素不仅对短舱后方襟翼当地流场有较大改善,而且对短舱和主翼上表面流场以及平尾当地迎角也有显著影响。基于以上结论,在运输机增升构型设计过程中,要充分考虑动力因素对各个部件当地流场的影响以提高升力特性;同时要权衡动力因素使机翼低头力矩增加、平尾低头力矩降低这两种趋势相反的影响结果以改善俯仰力矩特性。     

民用飞机低速俯仰力矩特性改善研究

针对某民用尾吊飞机低速时俯仰力矩上仰的情况,研究了一种新型的改善措施——内侧缝翼截短。采用数值模拟方法对其基本着陆构型以及改善措施的气动特性进行研究,给出了在大迎角下工作的流场特征,分析了改善措施改善俯仰力矩特性的流动机理,并对改善措施对发动机进气畸变的影响进行了评估。研究结果表明:低速俯仰力矩形态取决于机翼的分离位置;分离从外侧开始会使飞机"抬头",分离从内侧开始会使飞机"低头";平尾提供的俯仰力矩决定了总的俯仰力矩;分离从内侧开始使飞机"低头"的主要原因是降低了机翼对平尾的下洗;改善措施在失速迎角内不会对尾吊飞机的发动机进气产生影响。     

一种翼身融合飞行器的失速特性研究

翼身融合（BWB）布局飞行器作为下一代商用飞机的主要构型之一，越来越受到重视。对于翼身融合飞行器的研究主要针对其巡航状态的特性，而对其失速特性的研究较少。对一种翼身融合客机构型进行风洞试验研究，采用测力试验方法对其无增升装置的构型，以及具有翼梢小翼、前缘缝翼和机身上部双吊舱的组合部件构型下的纵向特性进行研究，特别是对其失速特性的分析，并通过二维粒子图像测试技术以及油流试验对其失速过程的流动机理进行研究。结果表明，无增升装置的基本构型下，翼身融合飞行器可以保持低速飞行，而各组合构型都具有提高最大升力系数的作用。对失速过程的分析表明，随着迎角的增大，飞机表面流场分离区域从翼梢开始逐渐向翼根以及机身发展，当外翼段完全处于分离区域时，飞机并不会马上失速，因为中心体同样具有提供升力的作用，且中心体的流动分离较外翼的流动分离更晚，所以当外翼在失速迎角出现升力损失时可以通过中心体的升力进行补偿，维持其低速飞行状态，真正的失速发生在中心体出现流动分离之后。     

螺旋桨旋转方向对飞机俯仰力矩特性的影响

为了找到一种改善低平尾涡桨飞机中小迎角下纵向静稳定度的方法，采用数值模拟手段研究了螺旋桨旋转方向对飞机俯仰力矩特性的影响。基于动态面搭接网格技术和非定常雷诺平均Navier-Stokes （URANS）方程，首先对某T尾双发涡桨飞机进行了计算，验证了方法的精度和可靠性，然后对同向旋转（CO）、对转-内侧上洗（CNIU）和对转-外侧上洗（CNOU）3种低平尾涡桨飞机构型开展了数值模拟，分析了各构型的俯仰力矩变化特点及流场细节。研究结果表明：对于常见的CO构型，在小迎角下由于平尾整体效率降低，飞机的俯仰力矩曲线斜率较无动力构型大幅度下降；在小迎角下，CO构型左侧平尾的效率几乎丧失，但右侧平尾却具有良好的效率；CO构型左右两侧平尾的效率呈现巨大差异的主要原因在于两侧平尾当地的下洗梯度不同；3个构型中，CNOU构型的俯仰力矩特性最差，CNIU构型在整个中小迎角范围内都能保持良好的俯仰力矩特性。     

翼身融合布局缩比模型飞行试验动力影响分析

动力系统的进排气效应是影响翼身融合布局飞机俯仰力矩特性和全机纵向配平的重要因素。为了研究动力对全机俯仰力矩的影响,基于飞行动力学方程,提出了一种动力影响计算方法。以某翼身融合布局缩比模型为研究对象,结合风洞试验数据,分析了模型飞行试验中爬升段、平飞段和下降段动力对全机俯仰力矩系数的影响,同时计算了迎角测量误差对俯仰力矩计算结果的影响。分析结果表明:动力使该翼身融合布局缩比模型低头力矩增加,会对全机纵向配平产生不利影响;迎角测量精度对俯仰力矩计算结果有较大影响。     

一种平尾涡流发生器设计和流动控制研究

平尾的气动特性直接影响飞机的飞行安全,基于改善飞机平尾在负攻角下流动特性的应用需求,设计一种涡流发生器,安装在平尾下表面。通过数值模拟方法研究平尾在不安装涡流发生器和安装涡流发生器两种构型下的流动特征和机理,分析飞机在负攻角下的俯仰力矩特性。结果表明：安装涡流发生器的平尾负失速迎角推迟了4°,负攻角下的俯仰力矩拐点推迟了4°左右,拓宽了飞机的飞行边界。     

翼吊低平尾飞机尾迹测量研究

平尾是影响全机纵向力矩的首要部件,翼吊低平尾飞机平尾处的流场受到翼身组合体尾迹的影响.为了摸清尾迹的特点,利用七孑探针测量平尾处的动压及下洗角,得到平尾处流场动压损失以及下洗角随飞机迎角变化的气动特点.结果表明:在接近最大升力系数时,平尾处流场动压损失严重,降低了平尾的气动效率,导致全机的纵向力矩失稳.研究结果对大飞机的气动特性优化工作具有指导意义.     

微型扑翼飞行器非定常运动对平尾的影响

以西北工业大学自行研制的微型扑翼飞行器ASN211为研究对象,利用其简化的二维扑翼及平尾串列翼模型进行了非定常数值模拟,分析了扑翼俯仰运动及沉浮运动对平尾气动性能的影响。在数值模拟模块中,模型的俯仰运动及沉浮运动由动网格技术实现。通过计算流体力学(CFD)软件Fluent对此非定常流场进行数值计算,重点研究了扑翼非定常运动尾流对平尾气动效率的影响。定常状态与非定常时均条件下平尾升力曲线的对比分析表明,扑翼的非定常运动能够增大平尾的失速迎角及最大升力系数,因而使平尾的失速特性得到改善。     

梯形翼高升力构型的数值模拟技术

基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程和结构网格技术,采用亚跨超声速平台(TRIP3.0),数值模拟了美国国家航空航天局(NASA)梯形翼构型。研究了控制方程、网格密度、流动转捩和初始条件等不同影响因素对气动特性的影响。风洞试验是2002年在NASA Langley 14ft×22ft亚声速风洞中完成的,试验结果包括了基本气动力和力矩、表面压力系数和边界层速度型分布。计算结果与试验数据的比较表明:求解完全的RANS方程,提高了翼梢涡的模拟精度;网格密度主要影响翼梢涡的强度;转捩模型提高了边界层的模拟精度,进而提高了升力系数、俯仰力矩系数的模拟精度;最大升力系数及失速迎角对初始条件具有依赖性。     

民用运输机短舱涡流片设计研究

采用已通过风洞试验验证的CFD流场数值模拟方法,从流动机理出发分析空间涡量的变化,研究了翼吊发动机短舱涡流片的安装位置对着陆构型升力特性的影响。数值模拟的结果表明:由于发动机短舱以及挂架的影响,缝翼下偏后会在主翼上留下的台阶以及缝翼的端面等,大迎角时诱导出许多空间涡系,容易引发主翼上表面的分离。短舱涡流片诱导的空间涡能够有效地抑制这些空间涡系和低速区,提高失速迎角和最大升力系数,对于文中着陆构型,失速迎角提高2°,最大升力系数提高0.15。短舱涡流片后移或者下移均会引起空间涡的下移,有利于抑制大迎角下主翼中段低速气流。但下移涡流片的同时会降低空间涡的强度,使其抑制作用减弱。因此,为了提高失速迎角和最大升力系数,在设计过程中需综合考虑短舱涡流片所诱导空间涡的强度和位置。针对某型民用运输机着陆构型中短舱涡流片因几何约束需对其位置进行重新设计的问题,根据上述研究结论,综合权衡空间涡的强度及位置,重新设计了短舱涡流片的位置。计算结果表明,重新设计涡流片的位置后,几何约束得到了满足,着陆构型的最大升力系数仅损失0.015,仍然能够满足设计指标。     

民用飞机纵向力矩特性研究

纵向力矩特性的优劣影响失速攻角及最大升力系数的使用,对飞机的安全性及经济性起着重要作用。国内外飞机设计规范及适航条例对飞机的操稳及失速特性作了明确的规定和要求。从CCAR-25 运输类飞机适航条例对失速特性要求的角度出发,研究民机的纵向力矩特性,并从理论上推导俯仰力矩允许的上仰幅度公式,从风洞试验数据分析俯仰力矩上仰的原因。结论表明为满足适航要求的减速率及杆力为正,俯仰力矩可以允许一定量值的上仰,但幅度不可过大;平尾当地动压的减小使得其对俯仰力矩贡献减小;平尾对纵向力矩贡献的减小是俯仰力矩上仰的主要因素。     

螺旋桨飞机俯仰力矩特性改进方法

螺旋桨滑流对飞机各部件的气动干扰造成飞机的俯仰力矩特性恶化，危害飞行安全。开展螺旋桨滑流对螺旋桨飞机俯仰力矩特性的影响机理研究和螺旋桨滑流作用下螺旋桨飞机俯仰力矩特性改进方法研究十分重要。采用动态重叠多块结构网格，通过求解非定常雷诺平均可压缩Navier-Stokes方程，数值模拟了某螺旋桨飞机不同拉力系数下降落构型的绕流流场。结果显示螺旋桨滑流对机翼、平尾的气动干扰是导致飞机俯仰力矩特性恶化的主要原因，改进螺旋桨飞机俯仰力矩特性的关键是改进其平尾的升力特性。以拉力系数等于0.4时的降落构型为优化对象，开展了俯仰力矩特性的改进方法研究，包括降低平尾高度、改变平尾上反角、抬高螺旋桨轴线等方法。研究发现在不增大机翼对平尾整体下洗强度的前提下，减小平尾和螺旋桨轴线的垂向距离，可以明显地改善螺旋桨飞机的俯仰力矩特性。     

民用飞机平尾载荷的不确定性及全局灵敏度分析

针对飞行载荷计算输入数据的随机不确定性会导致载荷计算结果波动的现象，采用Monte Carlo模拟方法和基于方差的全局灵敏度分析方法对民用飞机急剧俯仰机动随机平尾载荷进行不确定性及全局灵敏度分析。具体分析了飞机气动特性和重心的不确定性对迎角贡献平尾载荷、升降舵偏度贡献平尾载荷及平尾总载荷的影响，进一步通过全局灵敏度分析找出影响平尾载荷计算结果的主要因素。不确定性分析结果表明：气动特性和重心的不确定性导致迎角贡献平尾载荷的波动程度很大。灵敏度分析结果表明：1）升降舵偏度贡献平尾载荷只受升降舵效率的影响；2）迎角贡献平尾载荷主要受无尾飞机零迎角俯仰力矩系数和重心的影响；3）平尾总载荷受升降舵效率的影响最大，受无尾飞机零迎角俯仰力矩系数及重心的影响次之。此外也验证了方法的有效性，对提高飞行载荷的计算精度有一定的指导意义。     

尖侧缘机身布局的俯仰力矩特性及扰流板控制

针对尖侧缘机身布局在大迎角下存在的正俯仰力矩（抬头力矩）问题，通过风洞试验，首先研究了俯仰力矩的迎角分区特性及流动演化规律：线性增长区（迎角为0°~15°），俯仰力矩线性增加，全机从附着流到形成进气道前缘涡和机翼涡；非线性增长区（迎角为17.5°~32.5°），俯仰力矩非线性增加，机头涡出现，机头涡和进气道前缘涡逐渐增强，机翼涡增强后破裂；衰减区（迎角为35°~65°），俯仰力矩逐渐减小，机头涡增强后破裂，进气道前缘涡破裂发展，机翼涡完全破裂。其次，发现了机身前体是产生正俯仰力矩的主要来源，机头涡是导致大迎角下正俯仰力矩的主控流动。当迎角为40°时，前体各截面正俯仰力矩在进气道前缘处达到最大，主要是由于该处机头涡诱导产生了较强的法向力。最后，提出了大迎角机身扰流板控制技术，产生了较好的控制效果。当迎角为40°时，扰流板可使正俯仰力矩减少62%，其原因是扰流板降低了机头涡涡量及其诱导产生的法向力，减少了机身前体对正俯仰力矩的贡献。该控制技术的缺点是扰流板会带来一些升力损失和附加阻力。基于尖侧缘机身参考宽度的雷诺数为2.59×10⁵。     

滑流对飞机纵向静稳定性影响的数值模拟

针对某"机身+机翼+襟翼+短舱+螺旋桨+平尾"简化构型,开展低速大拉力系数工况下强螺旋桨滑流的数值模拟。模型为翼吊双发布局,动力计算时分为三个计算域,分别为两个包含螺旋桨的旋转域和一个静止域。采用商业软件ICEM CFD生成多块面搭接非结构网格,在机体表面和滑流区域对网格进行加密以便于捕捉螺旋桨滑流的发展及其与机翼、尾翼等部件之间的干扰。采用ANSYS CFX软件求解雷诺平均Navier-Stokes方程,使用多参考坐标系(MFR)方法模拟螺旋桨的旋转。基本构型有/无动力的计算结果表明螺旋桨动力及其产生的滑流对模型的纵向静稳定性影响较大,模型的纵向静稳定性在迎角较小时下降明显甚至丧失,在迎角较大时反而略有增加。一般而言,涡桨飞机平尾处的流场受气动布局、迎角、机翼及襟翼的下洗和螺旋桨滑流及其强度等因素的共同影响。对模型各部件的俯仰力矩特性及尾翼区流场细节进行详细分析可知,小迎角时飞机纵向静稳定性的下降是由于平尾受到机翼及襟翼较强的下洗作用而导致效率下降,而此时平尾没能进入滑流区,不能有效利用滑流区内高能气流来提高平尾效率。并且由于两个螺旋桨同为逆时针旋转,右侧平尾的贡献高于左侧平尾。为了验证这一结论,分别将螺旋桨向上平移0.7m和将平尾下移0.86m并进行数值模拟,结果表明平尾对模型纵向静稳定性的贡献均有增加。     

盒式翼无人机气动特性数值计算分析

传统方法求解盒式翼无人机的气动特性有一定的局限性,某无人机采用负交错的盒式翼布局,翼尖高差约为5%展长,翼面系统各部件之间的干扰影响复杂。为了获得其失速特性、升降舵效率等粘性作用强烈的边界气动特性,通过雷诺平均Navior-Stokes方法分析其极曲线、失速特性和俯仰力矩特性。结果表明:诱导阻力相对同等单翼降低约9%,与理论结果接近;后翼采用-4°的有效负安装角,导致配平后最大升力系数降低较多;大迎角失速时出现抬头力矩,与前翼后掠导致的翼尖失速以及后翼位于前翼尾流中效率降低有关。     

大型客机增升构型缝翼除冰状态失速特性

在防/除冰系统工作前提下翼面前缘残余积冰对全机失速特性的影响是评估系统效能是否达标的直接依据。针对中外翼区域重点防护的大型客机增升构型除冰方案，基于数值模拟方法对比分析了缝翼未结冰、未除冰、除冰状态下的失速特性。数值模拟结论表明虽然中外翼防/除冰防护区域较同类民机型号有所缩减，但仍能维持内翼始发分离流动形态、保证临界迎角附近的纵向力矩安定性、有效拓展失速边界。当前方案取消当地结冰防护的空气动力学依据是短舱外侧固有的下洗-展向流动综合效应已能充分削弱来流迎角影响，进而抑制局部结冰诱导的流动分离。研究结论可为防护区域设计优化及大型客机结冰适航取证提供理论依据。     

纳秒脉冲表面介质阻挡放电激励改善飞翼力矩特性的实验研究

针对飞翼布局力矩控制问题,采用纳秒脉冲表面介质阻挡放电（NS-DBD）激励,在来流风速30 m/s时,开展飞翼等离子体流动控制风洞试验,研究了不同激励参数和位置对飞翼升阻特性和力矩特性的影响。结果表明,NS-DBD激励能够有效改善飞翼大迎角气动特性。激励频率对飞翼升阻特性影响较大,激励频率为0.2 kHz时,增升效果最好,最大升力系数提高14.5%,失速迎角推迟5°。随着激励频率的增加,增升效果逐渐变差,减阻效果变好。单侧施加激励时,能够实现大迎角下飞翼模型的力矩控制,随着激励频率的增加,滚转力矩的控制效果减小,激励频率为0.2kHz时,平均滚转力矩系数变化为ΔMX=0.005691;偏航力矩的控制效果增大,激励频率为1kHz时,平均偏航力矩系数变化为ΔMY=-0.001571;俯仰力矩的控制效果减小,激励频率为0.2kHz时,平均俯仰力矩系数变化为ΔMZ=-0.002576。在中翼段和内翼段施加激励,破坏了飞翼的俯仰力矩特性,在外翼段和机翼右侧施加激励,能够显著改善飞翼的俯仰力矩特性。流场测量结果表明：等离子体激励对飞翼气动力矩的控制,主要是通过控制流动分离和控制横向流动来实现的。NS-DBD激励为改善飞翼布局稳定性和操纵性提供一种潜在的技术手段。     

边条机翼流态和气动力特性实验研究

本文论述了用油流、测压和测力等实验方法研究得出的边条机翼在低速、跨、超音速情况下的绕流情况和气动力特性;分析了低速时绕边条机翼的附体流、前缘分离和附体流并存、前缘涡和气泡涡并存、旋涡破裂等四种主要流态,在跨、超音速时出现的前缘分离和前缘附着两种主要流动类型,以及它们与气动力特性的关系。文中,结合测压和测力等实验结果,分析了边条机翼气动特性随M数和迎角的变化情况,说明了在中等后掠翼上加边条对于改善大迎角下机翼升阻力特性的作用,并对边条引起的俯仰力矩非线性变化现象,提出了可能的改进方法。     

前缘缝翼开缝改善增升装置失速特性研究

大型民机高升力构型多采用多段式增升装置，大迎角飞行时，前缘缝翼上表面可能出现流动分离，造成缝翼尾迹流区迅速增厚，加剧缝翼与下游翼段气流的交混作用，导致各翼段环量减小、升力下降，最终发展为失速。针对多段式增升装置大迎角失速问题，本文基于有限体积RANS方法，研究了前缘缝翼开缝改善增升装置失速特性的作用机理与参数影响规律。研究发现：前缘缝翼开缝可有效推迟缝翼流动分离的发生，抑制缝翼尾迹区发展及缝翼与下游翼段附面层气流的交混，减缓对襟翼流动的不利影响，显著改善增升装置失速特性；开缝位置及射流出口方向对前缘缝翼流动的控制效果影响明显，应根据前缘缝翼形状和工作状态合理设计前缘缝翼开缝方案，以便获取更好的气动性能收益。