基于数值模拟的翼身融合布局飞机上悬式发动机布置技术

发动机进排气对飞机气动特性具有重要影响。为了评估翼身融合布局（BWB）飞机上悬式发动机不同布置方式对全机气动特性的影响，首先开展了发动机短舱进排气与全机流场耦合的数值模拟技术研究，验证了计算方法的正确性。在此基础上，针对发动机安装于翼身升力面之上的BWB运输类飞机，开展飞机巡航飞行条件下，发动机不同支撑高度下沿流向及展向不同安装位置的进排气与全机流场耦合数值模拟，评估发动机不同布置方式对全机气动特性的影响，形成发动机不同布置方式影响的规律性结论。     

涡扇发动机带动力数值模拟

基于等熵流动原理,通过在排气口处设定总温比／总压比,进气口处设定质量流量,提出了一种新型的发动机进排气边界条件。通过与N-S方程耦合求解,数值模拟了轴对称超高涵道比涡扇模拟器CURF和单独涡轮动力模拟器进排气流场,数值结果表明：计算结果和实验值吻合较好,验证了提出的发动机进排气边界条件的正确性,同时也验证了涡扇发动机带动力流场计算方法的可靠性。     

柔性扑翼全机气动结构耦合特性及稳定性研究

由于微型扑翼飞行器具有体积小、重量轻等特点,在飞行过程中会产生明显的柔性变形,因此在对扑翼气动特性进行数值模拟时,有必要考虑柔性变形的影响。基于结构动力学理论,发展了一种适用于扑翼全机气动结构耦合特性的数值模拟方法与一种适用于扑翼的结构动力学求解方法。方法利用哈密顿原理,对动能和应变能进行变分,进而得到扑翼动力学方程,采用结构有限元方法对运动方程进行离散并求解;采用基于嵌套网格的CFD求解器对微型扑翼全机非定常绕流进行数值模拟。采用CFD/CSD耦合求解器对微型扑翼飞行器全机气动结构耦合特性进行数值模拟,分析了结构变形对柔性扑翼气动特性的影响,并分别对扑动过程中刚性扑翼和柔性扑翼的压心变化范围进行研究,分析了结构变形对柔性扑翼稳定性的影响。     

一种三维弹性机翼气动优化新方法

基于控制理论方法和有限元分析软件,通过将网格生成、流场计算、有限元分析、粘性伴随方程数值求解、梯度求解和拟牛顿优化算法等几方面的有效结合,研究与发展了计及静气动弹性影响的三维机翼气动优化设计方法,其中,雷诺平均Navier-Stokes方程为主控方程,气动载荷和结构静弹性变形量由气动/结构方程的耦合迭代求解得到,目标函数梯度信息由共轭方程数值求解得到。典型大展弦比机翼气动减阻设计结果表明：研究及发展的计及静气动弹性影响的三维机翼气动优化设计方法是有效的,能够有效考虑静气动弹性的影响。     

耦合六自由度运动弹性飞机阵风响应数值模拟

耦合飞机刚体六自由度运动,考虑飞机结构气动弹性变形,基于全湍流Navier—Stokes方程流场数值模拟方法．建立了离散阵风作用下弹性飞行器气动载荷与飞行姿态响应的数值模拟技术。其中模态空间中结构动力学方程以及六自由度运动方程分别采用四阶R—K进行时间推进求解,采用RadialBasicFunction（RBF）技术进行气动／结构数据耦合。对应飞机姿态以及弹性变形采用RBF与TFI组合模式的动网格方法进行网格更新;以飞翼布局弹性飞机为数值研究对象,研究了离散阵风作用下飞行器的气动载荷响应以及飞行姿态的变化,对比分析了刚性飞行器与弹性飞行器对离散阵风响应的区别,为进一步系统地分析真实飞机飞行品质提供数值平台。     

一种计及静气动弹性变形影响的跨声速机翼气动优化设计方法研究

耦合流场控制方程和结构静平衡方程求解得到大展弦比跨声速弹性机翼气动性能,分析研究了结构静弹性变形对气动载荷的影响.在此基础上以机翼典型剖面外形和机翼型架外形为设计变量进行了基于控制理论的跨声速弹性机翼气动优化设计方法研究,实现了在真实飞行条件下考虑静气动弹性变形影响的大展弦比跨声速弹性机翼一体化优化设计.优化设计算例结果表明所发展的方法是成功的,优化得到的弹性机翼在满足升力系数约束条件下提高了升阻比.     

基于非惯性系的悬停状态旋翼CFD/CSD耦合气动分析

旨在提高先进旋翼气动特性的分析精度,在旋翼高精度CFD分析中耦合气动弹性效应,取代传统方法中的刚性桨叶假设,并考虑悬停状态旋翼流场准定常的特性,在非惯性坐标系下建立了一套适合于悬停状态旋翼气动特性计算的CFD/CSD耦合分析方法。旋翼气动载荷通过求解三维Navier-Stokes方程求得,空间离散及通量计算采用Jameson中心格式,时间方向则选用五步Runge-Kutta迭代求解,湍流模型采用B-L模型;基于Hamilton原理建立了描述旋翼弹性运动的非线性微分方程,针对旋翼悬停状态的工作特点,采用Raphson迭代方法求解获得旋翼桨叶的弹性变形量。在CFD/CSD耦合计算中,旋翼桨叶交接面载荷及变形信息通过CFD与CSD模块进行传递,同时为提高桨叶弹性变形后贴体网格生成的效率和质量,采用基于网格点坐标转换的网格变形方法。在CFD和CSD程序分别验证基础上,采用建立的旋翼CFD/CSD耦合分析方法计算了先进的UH-60A直升机旋翼的表面压强及气动载荷。计算结果表明,与刚性旋翼CFD模拟结果比较,本文建立的CFD/CSD耦合分析模型可以更准确地预估旋翼气动载荷和性能。     

外吹式动力吹气襟翼N-S方程数值分析

提出了一种带动力发动机计算模型,以N-S方程为控制方程,首先数值模拟了涡轮动力模拟器(TPS),进排气流场,验证了发动机计算模型的可靠性,然后利用该数值方法模拟并分析了外吹式动力吹气襟翼(EBF)流场特性.     

翼上大涵道比发动机BWB布局一体化气动优化

考虑动力影响的气动布局一体化设计是挖掘飞行器设计潜力的重要环节。基于非结构混合网格并行RANS求解器，面向消除梯度计算量对设计变量个数以及变形网格技术的依赖性需求，进行了全过程离散伴随方程的推导。在构造离散伴随方程的基础上，通过迭代反压调整建立精确流量控制进排气数值模拟技术，并推导离散伴随方程边界条件矩阵。进一步以某翼上安装大涵道比发动机翼身融合(BWB)布局为研究对象进行了一体化设计研究。优化结果表明，所提出的优化方法显著提升了气动性能，验证了方法在强约束、考虑动力影响的一体化设计问题中的实用性，为未来翼上布局民用飞机设计提供有力的技术支撑。     

机体/动力装置一体化分析中的动力影响效应数值模拟

采用合适的进、排气边界条件, 对带动力的单独涡扇发动机模型和带动力的DLR-F6翼身架舱复杂组合体(WBPN)模型的流场进行了数值模拟和分析.运用Roe三阶迎风偏置通量差分裂方法和隐式近似因子分解方法求解雷诺平均Navier-Stokes方程, 基于点搭接多块网格技术生成高质量计算网格, 通过多重网格技术来加速收敛.着重对动力发动机进、排气边界条件的给定进行了推导, 以准确地模拟发动机动力效应.计算结果与实验值吻合良好, 验证了所采用计算方法、网格分块策略和边界条件处理方法的正确性.      

动力效应对民机起飞构型气动特性影响的数值研究

采用在点对点多块结构化网格系统上求解三维可压缩雷诺平均N-S（Navier-Stokes）方程的方法,研究了发动机动力效应对民机起飞构型气动特性的影响.首先,通过涡轮动力模拟器风洞试验模型及民机高升力构型标准模型,对研究方法进行了验证,计算和试验结果的良好吻合说明研究方法用于模拟发动机动力效应及预测民机高升力构型气动特性是可行的.其次,针对分别安装通气短舱和动力短舱的某翼吊涡扇发动机民机起飞构型,研究了发动机动力效应对其气动特性的影响规律.结果表明:在通气短舱基础上预测的起飞最大升力系数、失速迎角以及阻力和力矩,在考虑动力效应后会产生明显的不同.动力效应可使外形最大升力系数增大并延迟机翼失速,但同时也带来了低头力矩增大和升阻比降低的不利影响.建议在对机翼及其高升力装置设计结果的数值校核中使用考虑进排气的动力短舱代替目前常用的通气短舱,这能为设计改进提供更可靠的依据.      

发动机进排气效应对民机构型气动特性影响

基于非结构混合网格技术，通过数值求解Navier-Stokes方程，分析了航空发动机进排气效应对民机构型气动特性的影响。通过设置合适的进排气边界条件来模拟发动机进排气效应的影响，采用单独发动机短舱风洞试验模型，验证了计算方法的可靠性。在此基础上，分析了发动机进排气效应对翼吊式和尾吊式两种典型民机构型气动特性的影响，结果表明:翼吊式民机构型发动机进排气效应对升力的干扰主要由发动机尾喷流的引射效应对机翼的干扰引起；尾吊式民机构型随着发动机进气流量的增大，机翼上表面压力逐渐减小，激波位置逐渐后移；不同发动机进气流量会对飞机的阻力特性产生较大影响，在飞机详细设计阶段需充分考虑机体与动力装置之间的干扰影响。      

动力效应对民机高速抖振特性影响数值研究

民机的高速抖振通常是由机翼上激波诱导的分离所致,而发动机动力效应可能会对机翼上激波的强度带来明显影响.基于经过TPS标模及DLR-F6标模算例验证的、在多块结构化网格系统上求解雷诺平均N-S方程的数值方法,结合通过定常计算结果判定抖振发生原因及起始升力系数的方法,研究发动机动力效应对某民机巡航构型高速抖振特性的影响.结果表明:动力效应给基于通气短舱设计外形的高速抖振特性带来了不利影响,使其抖振起始升力系数降低约1.3％总升力系数.     

舰载机折叠翼气动特性分析

折叠翼技术是舰载机与航母相匹配的关键,研究折叠翼的气动特性对舰载机飞行动态及安全性具有重要意义。基于离散化的思想对折叠翼进行建模,并利用计算流体力学CAE软件Fluent对其进行数值计算,从升力系数和阻力系数变化及压力分布分析舰载机折叠翼的气动特性。结果表明:当折叠角为75°时,外翼的升力系数及侧向力系数将达到最大,阻力系数最小;一旦折叠机构失效,外翼的折叠将导致机翼整体升力系数及阻力系数大幅度下降,气动特性变差;与折叠机构失效前相比,折叠后的机翼失速迎角变小,且在失速后升力系数有缓慢上升趋势。     

进排气对尾吊短舱布局飞机气动特性影响研究

在尾吊短舱式布局飞机设计中,发动机进排气对其他部件的气动影响是需要关注的重要问题,为了全面研究发动机进气与喷流对全机气动特性的影响,在某尾吊舱短舱布局飞机巡航条件下(H=11 000m、Ma=0.78)对流场开展了数值仿真研究,重点分析了短舱通气模型与带进排气模型的全机升阻力特性及流场分布情况。计算结果表明:采用近距尾吊短舱布局的飞机,发动机进排气对全机气动特性的影响主要体现在短舱与机翼的气动干扰方面,在所研究的迎角范围内(-2°～8°),发动机进气所带来的抽吸作用改变了机翼及短舱表面的压力分布,使得机翼上表面的负压区面积增大、短舱上唇口激波强度减弱,导致全机升力系数增加、阻力系数减小、升阻比提高,但这一气动特性的改善趋势随着迎角的增大而逐渐减缓。     

外物损伤对民用飞机短舱内/外流气动特性的影响

根据民用飞机动力装置/机体适航验证研究需要,结合三维有限元碰撞冲击仿真,进行了外物损伤(FOD)条件下发动机短舱内/外流数值模拟分析,初步获得了外罩变形对短舱气动特性的影响。结果表明:结合三维有限元碰撞冲击仿真进行的民用飞机短舱气动特性数值模拟,可以较好地分析FOD对发动机短舱内/外流气动特性和安全性能的影响;在内流方面,外罩和唇口的变形导致了巡航状态和低速大流量等状态短舱内流品质降低,一定程度上影响了进气道流通能力并进一步降低了发动机效率;在外流方面,外物损伤变形导致的气流分离致使局部唇口的前缘吸力丧失,这使得FOD短舱的阻力系数始终比光滑短舱的大,但是当外罩流动均处于失速状态时,两者的阻力特性差异降低。通过对严重影响短舱气动特性或飞机安全性的FOD进行评估,表明该研究成果可以为短舱结构设计的优化和民用飞机安全性分析提供技术依据与建议。     

倾转旋翼机飞行力学特性

总结和分析了旋翼、机翼、机身、短舱和尾翼气动力模型和操纵机构特点,其中旋翼气动力模型以准定常叶素理论为基础,机翼和尾翼气动力模型以升力线理论为基础,并分析了旋翼尾流对机翼气动力气动干扰问题;建立了全量非线性倾转旋翼机飞行力学模型;以XV-15为样机,对倾转旋翼机在不同飞行模式和飞行速度下飞行力学特性展开了详细研究,得到的结论有助于深入了解倾转旋翼机飞行力学特性,也可用于倾转旋翼机飞行控制系统设计.      

大型客机涡扇发动机动力特性模拟

机体/发动机干扰问题是现代大型客机设计中必须考虑和解决的核心问题之一。长期以来，商用和in-house计算流体力学（CFD）软件，都是通过在发动机进气口设置质量流量比，排气口和外涵道设置总温比/总压比，建立动力特性模型来等效模拟机体/发动机干扰流场。在现有动力特性模型基础上，借鉴特征边界思想，将外涵道指定为特征边界，建立了一种新的发动机动力特性模型。采用轴对称超高涵道比涡扇发动机模型、轴对称涡轮动力模型以及某型客机带发动机模型对两种动力特性模型进行了系统的验证和确认，结果表明：两种发动机动力特性模型均能很好地模拟涡扇发动机动力效应，且计算结果与试验数据吻合较好，说明了两种动力特性模型的正确性、可靠性以及工程适用性。此外，所建立的新动力特性模型特别适合于大涵道比涡扇发动机的动力效应模拟，且可以在外涵道总温比、总压比等参数未知的情形下，评估发动机的动力特性，在实际工程中应用更广泛。     

民用飞机涡扇发动机短舱TPS低速构型数值模拟

TPS(Turbofan Propulsion Simulator)本身的失速特性对于运输类飞机低速带动力风洞试验有着重要的影响,而当代大量的低速带动力试验均采用TPS来模拟涡扇发动机的喷流效应。通过对TPS初始构型和修形后两个构型的数值模拟,研究了TPS唇口下垂位置和头部半径对失速特性的影响。结果表明,TPS唇口处较高的负压峰值和较大的逆压梯度引起TPS构型本身的大面积分离;将TPS唇口下垂和增大唇口头部半径能够有效降低TPS唇口处的负压峰值和逆压梯度,明显改善TPS构型的失速特性。     

翼身融合背撑发动机布局的动力短舱设计

为了解决翼身融合（BWB）背撑发动机布局的飞机-发动机流动干扰问题，依据BWB流场特征，提出背撑式动力短舱设计思想：采用轴对称短舱，结合可以减小短舱外部流动对机体影响的外罩型面和满足进气效率要求的进气道型面设计。基于本文构建的动力短舱参数化建模方法和多点优化设计方法，开展兼顾内外流的短舱综合优化设计研究，最后对设计方案安装状态流场进行分析。结果表明：提出的设计方法可以给出具有不同内外流气动特性、满足BWB背撑式发动机动力短舱多点设计要求的设计方案，巡航状态短舱外表面和全推力状态进气道最大马赫数最大可减小8.35%和11.81%，优化结果在最大推力和侧风起飞状态也具有良好的进气道性能；动力短舱安装状态消除了高速巡航飞行状态下短舱和机体之间的强激波和后体流动分离，低速大迎角状态机体外流能够为发动机提供均匀稳定的进气，进气道总压恢复系数满足设计要求。