特殊大气环境下格尼襟翼的气动特性

临近空间飞行器和火星探测飞行器首要面临低雷诺数、跨声速的特殊气动问题,针对此特殊环境下低雷诺数翼型的格尼襟翼增升方案,基于CFD方法开展了数值计算研究。对不同雷诺数、马赫数条件下,后缘加装不同高度格尼襟翼的Eppler387翼型的气动特性进行了对比分析,结果表明格尼襟翼增大了翼型的前缘吸力和后缘压差,从而显著增大了翼型环量和升力。在较高的马赫数下,格尼襟翼使翼型上表面低压区的范围扩大,对激波位置略有推迟。合适高度的格尼襟翼提高了翼型的最大升阻比,在中高升力系数下能够明显增大翼型的升阻比。研究结果能够为临近空间飞行器和火星探测飞行器的设计及改进提供技术支持。     

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。     

基于Isight的倾转旋翼飞行器前飞状态翼型优化

倾转旋翼飞行器被认为是下一代旋翼类飞行器的主要发展方向,研究其机翼的气动优化设计,对于提高该类飞行器的飞行性能具有重要意义。以NACA2412为原始翼型,首先,采用Hicks-Henne方法进行翼型参数化,并确定设计变量;其次,采用Isight集成翼型生成、网格划分、流场求解等软件,建立翼型自动优化平台;然后,采用基于最优拉丁超立方设计(Opt LHD)和径向基函数(RBF)的代理模型,并用多岛遗传算法(MIGA)进行机翼优化;最后,将优化后的翼型生成三维机翼,进行气动特性计算。优化过程中,对比两种边界条件的优化结果,以证明所用优化方法的有效性;为了减少计算量,使用动量源方法用作用盘代替旋翼。结果表明:根据机翼展向来流速度分布进行翼型优化,在前飞状态下优化后的机翼的升阻比提高了66.03%。     

面向高超声速飞行器的宽速域翼型优化设计

宽速域气动设计是水平起降高超声速飞行器研制的瓶颈问题之一.水平起降高超声速飞行器在飞行过程中需要经历亚、跨、超和高超声速多个速域,而适应不同速域的最佳气动外形相互矛盾,使得实现良好的宽速域气动设计面临极大挑战.首先,针对高超声速飞行器宽速域翼型气动设计问题,发展了基于代理模型的高效全局气动优化设计方法,并设计出一种相对厚度为4％、有一定弯度、下表面具有双"S"形特征的宽速域翼型.将新翼型与常规四边形和双弧形翼型进行了气动特性对比,并进行了流动机理分析,结果表明新翼型的宽速域综合气动特性显著优于常规翼型,从而证明发展兼顾亚、跨、超和高超声速气动性能的宽速域翼型是可行的.其次,开展了宽速域翼型的多目标优化设计,通过分析Pareto解集中翼型的宽速域气动性能随几何外形变化的演化规律,进一步解释了有一定弯度、下表面呈双"S"形的薄翼型能够协调亚、跨、超声速与高超声速气动性能的原理.最后,采用平面外形为梯形的机翼,进行了三维机翼构型下的宽速域翼型多目标优化设计.三维优化设计结果与二维结果具有相似的几何特征和压力分布,说明这种通过下表面双"S"形小弯度薄翼型来兼顾亚、跨、超和高超声速气动性能的宽速域流动机理同样适用于三维情况,也证实了翼型设计对于宽速域高超声速飞行器仍然具有重要意义.     

翼型研究的历史、现状与未来发展

"翼型"俗称翼剖面或叶剖面,是飞机机翼及尾翼、导弹翼/舵面、直升机旋翼、螺旋桨、风力机叶片等外形设计的基本元素和气动力的"基因",也是影响综合气动性能的核心因素之一.自20世纪初莱特兄弟发明人类第一架飞机以来,翼型研究的每一次重要突破,都有力促进了航空飞行器的更新换代或性能的大幅提升.除了发展RAE、DVL、NACA、TsAGI等通用翼型族外,研究者们还针对性地发展了适用于各类飞机的翼型族,以及适用于直升机旋翼、螺旋桨和风力机叶片的专用翼型族.进入21世纪,随着现代数值模拟方法、流动稳定性与转捩预测、优化设计、试验测试技术等研究的进步,各种新的设计理念、优化方法和设计技术相继被提出,翼型研究也被赋予了新的使命和内容.本文立足飞行器设计和翼型研究的前沿,在回顾100多年来翼型发展历程的基础上,重点综述了翼型研究的最新进展,分析了研究现状,提出了未来发展方向.新一代翼型将适用于未来飞行器的发展需求,在宽速域、大空域、多物理场及智能变体等复杂使用条件下兼具优良的多学科综合性能.     

介电弹性薄膜翼型的增升效应机理

蝙蝠在低雷诺数飞行状态能够通过膜翼的主动变形使其获得高机动性和飞行效率。这种翼型主动变形的仿生特性为智能飞行器气动与控制设计提供了新的思路。本文将介电弹性高聚合物材料直接应用到了翼型的设计中,利用介电弹性体电致变形的特点提出了具有主动控制功能的介电弹性薄膜翼型。针对电活性材料结构的力学特性,引入热力学理论框架,描述力-电耦合效应。采用CFD/CSD耦合技术建立基于介电弹性聚合物材料的气动-结构-电磁耦合动力学模型,并对所提方法进行验证。研究结果表明,介电弹性薄膜翼型在攻角为14°时相对刚性翼型增升12.33%,且翼型弯度变形与振动效应对增升的贡献比为3∶2;当外加电压使得流场频率与振动频率在前两阶频率相同,且二阶主频率不小于刚性翼型流场二阶主频时,介电弹性薄膜翼型的增升效应高于10%。所提方法与研究结论为研发智能飞行器的气动分析与控制设计提供了重要的技术支撑。     

扇翼飞行器翼型附面层控制数值模拟

基于扇翼飞行器翼型特殊的几何形状及流场特性,在原有翼型的弧形槽下方和后缘加装控制阀门,通过调节阀门开启及开启尺寸的大小,利用弧形槽低压涡所产生的吸力对翼型后缘的附面层进行一定的控制,达到增升减阻的效果。通过采用计算流体力学的方法对其机理及阀门开启尺寸的影响进行了详细计算和分析,研究表明当阀门开启的尺寸为10 mm时,修改翼型的最大升力系数、失速迎角及相同迎角下的升力系数和推力系数均大于基本翼型;随着阀门开启尺寸的增大,修改翼型的最大升力系数和失速迎角均减小,但是在失速前,修改翼型在相同迎角下的升力系数大于基本翼型。此方法可以改变先前通过增大横流风扇的转速来提高其气动性能的做法,减小了能量的消耗,增大了整个飞行器的航程,为扇翼飞行器能够早日投入实际运用奠定了一定的理论基础。     

多目标进化算法和代理模型技术在气动稳健优化设计中的应用

通过与传统优化方法的优缺点对比,提出针对飞行器环境参数存在不确定性影响时的气动稳健优化设计模型,并应用多目标进化算法和代理模型技术对稳健模型进行优化设计研究。提供了翼型稳健性优化实例,通过选择合适的翼型参数化方法和CFD求解程序以及不确定性分析方法,得到了稳健设计结果的Pareto前缘图。从其中选择的设计结果可以看出,稳健设计结果表现出更稳定的特性,证明了稳健设计的优势所在。     

直接操作FFD技术在翼型气动优化设计中的应用

几何外形参数化技术在飞行器的气动外形优化设计以及多学科优化设计中是影响其结果和效率的重要因素之一。针对自由变形技术(FFD)无法直接操纵几何外形表面指定点位移的局限性,开展了直接操作FFD技术在翼型参数化及翼型气动优化设计中的应用研究。建立了由翼型表面控制点的位移反求各个FFD控制点位移的求解模式,有效地降低了高阶FFD控制体进行翼型参数化的参数个数,并且具备直接操纵翼型几何外形的能力,更具物理直观性。运用该技术对于跨音速翼型进行了气动减阻设计,显著减小了设计状态下翼型的阻力。     

基于遗传算法的微型飞行器气动力优化设计

本文以固定机翼式微型飞行器的翼型气动力优化设计为研究背景,在105量级的低雷诺数范围内,把遗传算法与Navier-Stokes方程数值解法相结合,建立了一种以实数编码为基础的自适应算法模型.在基准翼型的基础上,结合锦标赛选择、部分交叉以及自适应变异算子,对翼型进行了升阻比气动力优化设计,并设计了一种高效的复制算子来提高算法的稳定性和计算效率.优化后的翼型升阻比提高显著,表明该算法对低雷诺数翼型的气动外形设计合理有效.     

Self-sustained shock oscillations on airfoils at transonic speeds

Self-sustained shock wave oscillations on airfoils at transonic flow conditions are associated with the phenomenon of buffeting. The physical mechanisms of the periodic shock motion are not yet fully understood even though experiments performed over fifty years ago have demonstrated the presence of oscillatory shock waves on the airfoil surfaces at high subsonic speeds. The unsteady pressure fluctuations generated by the low-frequency large-amplitude shock motions are highly undesirable from the structural integrity and aircraft maneuverability point of view. For modern supercritical wing design with thick profiles, the shock-induced fluctuations are particularly severe and methods to reduce the shock wave amplitudes to lower values or even to delay the oscillations to higher Mach numbers or incidence angles will result in expanding the buffet boundary of the airfoil. This review begins with a recapitulation of the classical work on shock-induced bubble separation and trailing edge separation of a turbulent boundary layer. The characteristics of the unsteady pressure fluctuations are used to classify the types of shock-boundary layer interaction. The various modes of shock wave motion for different flow conditions and airfoil configurations are described. The buffet boundaries obtained using the standard trailing edge pressure divergence technique and an alternative approach of measuring the divergence of normal fluctuating forces are compared to show the equivalence. The mechanisms of self-sustained shock oscillations are discussed for symmetrical circular-arc airfoils at zero incidence and for supercritical airfoils at high incidence angles with fully separated flows. The properties of disturbances in the wake are examined from linear stability analysis of two-dimensional compressible flows. The advances in high-speed computing make predictions of buffeting flows possible. Navier–Stokes solvers and approximate boundary layer-inviscid flow interaction methods are shown to give good correlation of frequencies and other unsteady flow characteristics with experiments. Finally, passive and active methods of shock oscillation control show promising results in delaying buffet onset to higher Mach numbers or incidence angles, thus enhancing the transonic performance of airfoils.     

翼型低雷诺数层流分离现象随雷诺数的演化特征

层流分离现象是翼型低雷诺数条件下出现的典型流场特征。层流分离流动中包含流动分离、转捩、再附等非定常流动结构，层流分离流动的形成与演化会对翼型气动特性产生恶化作用。采用大涡模拟（LES）方法对低雷诺数范围内不同雷诺数下的翼型层流分离流动开展精细数值模拟，研究了雷诺数对翼型气动特性的影响规律及作用机理。LES方法采用隐式亚格子模型，基于结构化拼接网格，对流项离散和时间推进方法分别采用AUSM⁺格式以及双时间步方法。验证算例计算结果表明数值模拟方法的正确性及可靠性，雷诺数对翼型气动特性具有显著影响。随雷诺数降低，时均分离泡外形增大、位置后移，平均阻力系数增大，特别是在较低雷诺数下，翼型升阻力系数随时间出现振荡现象。进一步研究表明，造成不同时均分离泡形态和气动特性的原因在于翼型上表面分离剪切层的失稳与转捩特征。随雷诺数降低，流动黏性增大，导致分离剪切层速度梯度减小，流动发生转捩及再附位置后移，直至翼型表面不再发生转捩和再附。     

Gurney flap—Lift enhancement,mechanisms and applications

Since its invention by a race car driver Dan Gurney in 1960s, the Gurney flap has been used to enhance the aerodynamics performance of subsonic and supercritical airfoils, high-lift devices and delta wings. In order to take stock of recent research and development of Gurney flap, we have carried out a review of the characteristics and mechanisms of lift enhancement by the Gurney flap and its applications. Optimum design of the Gurney flap is also summarized in this paper. For the Gurney flap to be effective, it should be mounted at the trailing edge perpendicular to the chord line of airfoil or wing. The flap height must be of the order of local boundary layer thickness. For subsonic airfoils, an additional Gurney flap increases the pressure on the upstream surface of the Gurney flap, which increases the total pressure of the lower surface. At the same time, a long wake downstream of the flap containing a pair of counter-rotating vortices can delay or eliminate the flow separation near the trailing edge on the upper surface. Correspondingly, the total suction on the airfoil is increased. For supercritical airfoils, the lift enhancement of the Gurney flap mainly comes from its ability to shift the shock on the upper surface in the downstream. Applications of the Gurney flap to modern aircraft design are also discussed in this review.     

计及边界层汇流效应的多段翼型失速特性计算

 本文给出计及边界层汇流效应的多段翼型失速特性的解法。用高阶奇点分布面元法（Panel Method）求位流解,然后进行各翼段粘性尾迹形状迭代,并解出正常边界层和汇流边界层特性。当翼段上有后缘分离时,还要确定分离尾迹的形状,用位移厚度当量源（汇）模拟粘性效应。进行粘/位流迭代直至收敛。上述方法在超过多段翼型失速迎角时仍然有效。计算结果与实验数据比较,符合良好。     

锯齿型翼型尾缘噪声控制实验研究

翼型湍流边界层与尾缘相互作用产生的尾缘噪声是翼型自噪声的最主要分量,多年来研究者们已经在理论、数值和实验方面开展了多方面研究,但有关翼型尾缘噪声的产生机理和抑制方法仍有待深化与发展.本文利用具有全消声环境的低速开口风洞研究了采用锯齿型翼型尾缘来控制翼型噪声的方法,重点研究了不同攻角情况下不同锯齿形对翼型远声场气动噪声的影响以及翼型表面压力的影响.实验结果表明,翼型尾缘附加锯齿是一种可行的降噪方案,尤其对中低频段的远场气动噪声有比较明显的降低效果;而且,降噪效果与锯齿的齿数和齿间倒角有关.附加锯齿对翼型壁面动态载荷的影响较小,基本不影响翼型的气动性能.     

Shock control on a swept wing

Shock and boundary layer control by contour bumps and local boundary layer suction have been investigated experimentally and numerically on a transonic swept wing. Additional 2-D numerical investigations were performed for the airfoil, corresponding to the wing. The investigations were primarily stimulated by the question concerned with the influence of sweep on the bump effectiveness. This influence has been found to be rather small; the drag reduction by the bump is slightly lower for the swept wing than for the airfoil. A location of the bump in the shock region has shown its effectiveness for reducing shock strength and hence wave drag. A position of the bump downstream of the shock wave has been shown to reduce viscous drag and to postpone buffet-onset to higher lift coefficients. Furthermore, the results indicate that boundary layer suction is a powerful device for drag reduction, but the effectiveness decreases with increasing Reynolds number. Higher effectiveness of suction can be attained, when it is coupled with a contour bump. The parameters height and position (relative to the shock) of the bump, optimized in terms of drag, depend on the shock strength; an influence of the boundary layer thickness upstream of the shock on the optimal bump parameters has not been found. A possibility to control an adaptive bump, mounted on an aircraft wing, is to employ the trailing edge pressure.     

扑动翼型的低雷诺数气动特性分析

通过求解引入拟压缩项的不可压Navier-Stokes方程,数值模拟了绕扑动翼型的低雷诺数非定常流动。针对厚度在4%-12%之间的NACA对称翼型,分析了翼型厚度等参数对扑动翼型气动特性的影响。在低雷诺数条件下,对于纯俯仰运动,随着翼型厚度的减小,平均阻力系数也变小。而对于纯沉浮运动,发现翼型厚度对气动特性的影响和俯仰运动有很大的差别,平均阻力系数随着翼型厚度的减小而变大。通过对沉浮运动一个周期流线图的分析,认为这是翼型前缘涡的影响造成的。由于前缘涡的影响,翼型厚度增加,平均压差阻力系数变小,甚至会出现负值。雷诺数的影响研究表明,随着雷诺数的增加,扑动翼型的阻力系数减小的趋势越缓慢。     

分布式动力系统尾缘射流与边界层抽吸的数值分析

为研究带有边界层抽吸的分布式动力系统尾缘射流对机身气动性能及推进效率的影响,将机身简化为二维翼型,并加入尾缘射流及边界层抽吸的作用,利用数值模拟的手段来研究来流攻角、射流偏转角、边界层抽吸对推进效率及气动性能的影响,为分布式动力系统的设计与应用提供初步的建议.结果表明在中、小来流攻角(2°及0.6°)的情况下尾缘射流及边界层抽吸能够提高升阻比,推进效率可超过80%;而在大来流攻角(4°)情况下射流偏转角增大使翼型的阻力大幅上升,对气动性能和推进效率产生极为不利的影响.      

无尾布局翼型的DISC设计研究

采用DISC方法耦合N-S方程求解程序研究了无尾布局翼型的设计。通过NLF1015,RAE2822翼型的反设计表明,该方法可用于亚、跨声速翼型设计,具有简单、计算量小的优点。完成了翼型改进和新翼型设计,对某BWB飞机内翼段翼型进行了改进设计,采用人工干预对现有翼型压力分布进行局部修正,达到快速削弱激波、改善翼型气动性能的目的;针对小展弦比翼身融合布局内翼段新翼型设计,采用基于多目标多约束压力分布优化的设计思想,得到满足气动和几何约束的目标压力分布。设计结果表明,数值优化目标压力分布方法较易满足总体与气动的设计目标和约束。     

基于NACA3505翼型叶片的CFD研究

轴流风机作为空冷发电机的重要部件,直接影响到发电机的冷却效果,进而影响到发电机的稳定运行和效率。在满足某型号风机原有设计要求的条件下,通过NACA3505翼型,设计新的空间扭曲叶片模型,并对整个轴流风机进行全流道数值模拟计算。计算结果与原型叶片进行比较,经过分析表明,相对原型叶片,叶片背面的压力分布较为合理,涡流附面层较薄,涡流脱离强度减小,叶片前缘端没有出现大的涡流,后缘亦未出现涡流．不仅提高了全压效率,而且扭矩减小,风机的耗功率低：