半模机翼振动的风洞实验技术研究

飞行器机模型振动是影响其风洞实验数据可靠性的主要因素之一。为此,通过专门研制的半模振动模型,采用对称翼型NACA0012和层流翼型NACA64-210两种半模机翼进行了低速风洞振动实验。选取五种激振方式,用直接测力法得到模型在静态和不同激振方式下升力特性变化曲线,研究了振动频率、自然转捩和固定转捩、数据采集方式等参数对机翼气动特性测量结果的影响。结果表明：振动对半模机翼气动特性的影响程度因不同翼型构型、不同采集方式和翼面不同流动模式等而产生不同效果。结论对提高飞机模型风洞实验大迎角振动情况下的测量精准度有参考价值。     

超临界自然层流机翼设计及基于TSP技术的边界层转捩风洞试验

为了实现绿色航空节能减排的目标，层流设计技术成为飞行器设计者的研究热点。对于跨声速客机而言，超临界自然层流机翼设计技术将显著减小飞行阻力，提升气动性能，减少燃油消耗和污染物排放。首先，基于高精度边界层转捩预测技术耦合翼型优化设计系统，实现超临界自然层流翼型设计；经过合理的翼型配置，形成超临界自然层流机翼。转捩数值模拟分析结果表明，超临界自然层流机翼的层流流动特性良好。然后，以比例为1：10.4的试验模型在荷兰高速低湍流度风洞进行边界层转捩风洞试验，使用温度敏感材料涂层（TSP）技术拍照获得机翼表面在不同马赫数、雷诺数和迎角工况下的层流-湍流分布。最后，通过超临界自然层流机翼边界层转捩试验结果，探讨了该类型机翼的转捩特性随来流参数的变化规律，总结了超临界自然层流机翼设计的关键因素。此外，该模型也可用来验证边界层转捩预测技术在超临界、高雷诺数工况下的预测精度。     

转捩对风力机翼型和叶片失速特性影响的数值模拟

采用基于k-ωSST湍流模型的Gamma-Theta转捩模型对S809翼型和NREL Phase VI叶片进行了考虑转捩的气动力数值模拟,研究了转捩对其气动特性特别是失速特性的影响。首先对S809翼型在迎角0°～30°范围内开展了数值模拟,比较了转捩模拟和全湍流模拟获得的翼型升力系数和流场特征,发现前缘层流分离泡的存在显著影响了翼型的失速特性;然后对NREL Phase VI叶片开展了类似的数值模拟,结果显示转捩对叶片失速特性和翼型失速特性产生影响的作用方式是相似的。经过对以上数值模拟结果加以分析认为,转捩对翼型和叶片失速特性的影响主要通过前缘层流分离泡的作用体现出来,前缘层流分离泡的存在使翼型和叶片更早地进入深失速。     

低雷诺数翼型局部振动非定常气动特性

针对低雷诺数翼型特殊的气动特性,采用基于动网格的非定常数值模拟方法,研究翼型表面不同弦向位置的局部蒙皮以不同频率及振幅振动时对低雷诺数翼型气动特性及流场结构的影响,揭示蒙皮振动增升减阻的机理。研究表明,在低雷诺数条件下局部蒙皮振动可有效提高翼型气动特性,与刚性翼型相比蒙皮局部振动可使翼型升力系数提高,阻力系数降低,升阻比提高。振动位置对翼型气动特性及流场结构有显著的影响,振动表面位于翼型前缘附近或位于层流分离泡中心时可有效控制翼型层流分离,从而提高翼型气动特性。振动频率对翼型表面层流分离及转捩位置均有显著的影响,随着振动频率增加,翼型气动特性出现最优值。与刚性翼型相比,表面振动使翼型转捩位置略向上游移动,摩擦阻力增加,但振动使等效翼型相对厚度减小,压差阻力明显减小。在小幅振动范围内,随着振幅增加,流场非定常特性更加显著,翼型升阻比增加。     

翼型几何模型对边界层转捩预测精度的影响

对飞行器表面的边界层转捩现象进行准确地预测,是设计高性能层流翼型的关键。基于边界层数值模拟和现代CFD技术的特点,选取与SSTk-ω湍流模型相耦合的γ-Reθt转捩模型,对不同类型的翼型边界层转捩进行预测。结果表明:在转捩计算过程中出现的摩阻曲线震荡,是由翼型表面计算网格不光顺所引起的;提高翼型几何模型光顺程度能够在不同程度上提高翼型气动特性的计算精度,并能得到更加准确的转捩预测结果。     

考虑转捩影响的风力机翼型气动特性计算研究

基于二维雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程,耦合eN数据库方法进行流动转捩判断,采用SA湍流模型计算了风力机专用翼型DU91-W2-250的气动特性,得到了雷诺数Re=1.0×106时,攻角在-11°~12°范围内该翼型的升力和阻力特性曲线及压力分布。通过对全湍流计算结果、耦合转捩判断的计算结果及实验数据的对比,表明考虑转捩因素后的计算结果与实验结果吻合更好,说明要准确模拟风力机翼型的绕流,必须考虑转捩影响。     

基于γ-Reθt转捩模型的翼型气动特性计算精度改进研究

将结合SSTk-ω湍流模型的γ-Reθt转捩模型与二维雷诺平均NS（RANS）方程数值求解相耦合,发展了考虑转捩影响的翼型气动特性计算方法。得到的计算结果与没有考虑转捩影响的计算结果的比较表明,与实验更加吻合,计算精度得到了明显提高。     

飞机机翼结冰过程的数值模拟

提出了一种适用于各种结冰气象条件下飞机机翼结冰过程的数值模拟方法。结合欧拉坐标系下空气-过冷水滴两相流动控制方程的计算,对不同气象条件下飞机机翼的结冰过程进行了数值模拟,得到了4°攻角NACA-0012翼型表面霜状冰、混合冰及瘤状冰3种冰形。所得冰形与文献中的试验数据和计算结果吻合良好,表明本文方法有效。另外还计算了不同的冰形对机翼升、阻力的影响,结果表明瘤状冰对机翼气动特性的影响最大。      

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。     

气动悬浮列车单向翼翼型优化与地面效应分析

高速气动悬浮列车(Aero-train)是一种利用机翼地面效应原理的创新型高效高速低能耗高速列车。本文以LA203A为基础翼型,利用遗传算法与数值模拟的方法对基础翼型进行气动优化设计。通过对优化翼型的地面效应模拟分析,得出优化后的翼型其气动特性有明显改善,并由此得出气动悬浮列车单向翼离地间隙、迎角与阻力、升力、升阻比之间的关系。利用CFD技术对安装有基础机翼和优化后机翼的气动悬浮列车初始研究模型(AERO-1)整车气动特性进行数值模拟以及分析前后端机翼的流场特性,并利用风洞实验方法对装有优化机翼的气动悬浮列车初始研究模型(AERO-1)气动特性进行研究。利用遗传算法优化后机翼翼型升阻比特性较基础翼型最高提升26%,具备优化机翼的气动悬浮列车(AERO-1)在地面效应下的气动特性优于原始模型。本文研究为机翼地面效应分析以及气动悬浮列车研究提供理论依据。     

Aerodynamic performance enhancement for flapping airfoils by co-flow jet

Introducing active flow control into the design of flapping wing is an effective way to enhance its aerodynamic performance. In this paper, a novel active flow control technology called Co-Flow Jet (CFJ) is applied to flapping airfoils. The effect of CFJ on aerodynamic performance of flapping airfoils at low Reynolds number is numerically investigated using Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes (URANS) simulation with Spalart-Allmaras (SA) turbulence model. Numerical methods are validated by a NACA6415-based CFJ airfoil case and a S809 pitching airfoil case. Then NACA6415 baseline airfoil and NACA6415-based CFJ airfoil with jet-off and jet-on are simulated in flapping motion, with Reynolds number 70,000 and reduced frequency 0.2. As a result, CFJ airfoils with jet-on generally have better lift and thrust characteristics than baseline airfoils and jet-off airfoil when C_μ is greater than 0.04, which results from the CFJ effect of reducing flow separation by injecting high-energy fluid into boundary layer. Besides, typical kinematic and geometric parameters, including the reduced frequency and the positions of the suction and injection slot, are systematically studied to figure out their influence on aerodynamic performance of the CFJ airfoil. And a variable C_μ jet control strategy is proposed to further improve effective propulsive efficiency. Compared with using constant C_μ, an increase of effective propulsive efficiency by 22.6% has been achieved by using prescribed variable C_μ for NACA6415-based CFJ airfoil at frequency 0.2. This study may provide some guidance to performance enhancement for Flapping wing Micro Air Vehicles (FMAV).     

转捩模型在翼型气动性能预测 中的应用研究

边界层转捩位置的准确预测对于提高飞行器气动性能的预测精度具有重要意义.选取与k-ω SST湍流模型相耦合的γ-Reθt模型,以零压力梯度平板为研究对象,通过求解基于有限体积法的雷诺平均N-S方程验证该模型自动捕捉流动转捩的准确性;将该模型应用于传统有压力梯度的NACA 0012翼型的流场特性和气动性能的研究中,并与原始k-ω SST模型的计算结果及全湍流试验数据进行比较.结果表明:远场边界距离对翼型阻力系数有较大的影响;与无转捩模型相比,γ-Reθt转捩模型对翼型阻力系数的预测精度有一定程度的提高;对于二维模型,γ-Reθt转捩模型难以捕捉翼型表面的三维效应和非定常分离特性.     

表面凹凸充气机翼的气动特性研究

充气机翼在变体飞机和飞艇中具有潜在的应用前景。充气机翼的结构特征与传统硬质机翼显著不同,其外形与传统机翼相比最大的差异在于表面的片条状鼓包,这种外形带来的气动特性、气弹行为等越来越受到人们的关注。以NACA0015翼型为原形,设计制作充气机翼模型,并利用CFX对传统光滑的NACA0015翼型和凹凸表面的0015F2翼型进行定常和非定常气动行为分析。结果表明:充气机翼的凹凸表面外形增加翼型的失速攻角,但其升力线斜率及升阻比都较光滑翼型要小;0015F2翼型的速度梯度过度区大于NACA0015翼型;0015F2翼型在每一个凹槽区生成驻涡,驻涡的存在使得充气机翼的附面层呈现紊流附面层的特性,驻涡的外移改变了机翼后缘的尾涡形成,推迟了分离,使得失速攻角增大。     

喷流流动控制增升效应数值模拟

飞机的增升系统是影响其起降性的重要因素,为了研究飞机下表面喷流流动控制增升效应,采用数值模拟方法与结构网格求解不可压Navier-Stokes方程,对NACA0012翼型和机翼进行研究。通过改变喷气口的参数来研究其对翼型和机翼气动特性的影响。对于翼型,主要研究喷气口速度和位置对翼型气动特性的影响;对于机翼,主要研究喷气口区域沿展向分布和喷气速度对机翼气动特性和能量利用率的影响。计算结果表明:采用喷气控制可以获得较好的气动特性,增升效果也比较明显,控制效果和上述几个参数均有一定关系。本次研究为机翼喷气口设计以及机翼局部喷气控制展向分布的选取提供了依据。     

Lift performance enhancement for flapping airfoils by considering surging motion

The flapping motion has a great impact on the aerodynamic performance of flapping wings. In this paper, a surging motion is added to an airfoil performing pitching-plunging combined motion to figure out how it influences the lift performance and flow pattern of flapping airfoils. Firstly, the numerical methods are validated by a NACA0012 airfoil pitching case and a NACA0012 airfoil plunging case. Then, the E377m airfoil which has typical geometric characteristics of the bird-like airfoil is selected as the calculation model to study how phase differences φ₁ between surging motion and plunging motion affect the aerodynamic performance of flapping airfoils. The results show that the airfoil with surging motion has comprehensively better lift performance and thrust performance than the airfoil without surging motion when 15°< φ₁ < 90°. It is demonstrated that surging motion has a powerful ability to improve the aerodynamic performance of flapping airfoil by adjusting φ₁. Finally, to further explore how flapping airfoil improves lift performance by considering surging motion, the flapping motions of E377m airfoil with the highest lift coefficient and lift efficiency are obtained through trajectory optimization. The surging motion is removed in the highest lift case and highest lift efficiency case respectively, and the mechanism that surging motion adjusts the aerodynamic force is analyzed in detail by comparing the vortex structure and kinematic parameters. The results of this paper help reveal the aerodynamic mechanism of bird flight and guide the design of Flapping wing Micro Air Vehicles (FMAV).     

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%。     

一种微气泡型MEMS作动器研究

设计了一种基于MEMS技术的微气泡型作动器,将微作动器布置在NACA0012翼型和三角翼机的前缘上,利用Fluent进行数值模拟,结果表明微作动器可以改变机翼前缘附体流的流动状态,提高翼型升力系数,改变三角翼机前缘流动状态,利用微作动器可以成功进行流动控制。     

Transition study of 3D aerodynamic configures using improved transport equations modeling

As boundary layer transition plays an important role in aerodynamic drag prediction,the proposal and study of transition prediction methods simulating the complex flow phenomena are prerequisite for aerodynamic design. In this paper, with the application of the linear stability theory based on amplification factor transport transition equations on the two-equation shear stress transport(SST) eddy-viscosity model, a new method, the SST-N TS-N CF model, is yielded. The new amplification factor transport equation for the crossflow instability induced transition is proposed to add to the N TS equation proposed by Coder, which simulates Tollmien–Schlichting wave transition. The turbulent kinetic energy equation is modified by introducing a new source term that simulates the transition process without the intermittency factor equation. Finally, coupled with these two amplification factor transport equations and SST turbulence model, a four-equation transition turbulence model is built. Comparisons between predictions using the new model and wind-tunnel experiments of NACA64(2)A015, NLF(2)-0415 and ONERA-D infinite swept wing and ONERAM6 swept wing validate the predictive quality of the new SST-N_(TS)-N_(CF) model.