考虑螺旋桨滑流影响的垂尾飞行载荷设计

依据CCAR-25部偏航机动的设计准则,研究了螺旋桨滑流对垂尾载荷设计的影响.以T型尾翼布局、桨叶右旋的某支线客机为例,分析了螺旋桨滑流对飞机气动特性的影响:拉力系数越大,则滑流对飞机侧向力系数和偏航力矩系数的影响越大;在负侧滑时,滑流对飞机气动特性数据的影响显著;正侧滑时,滑流对飞机气动特性的影响较小.基于飞行力学六自由度非线性微分方程,开展了有/无滑流影响情况下偏航机动仿真和垂尾载荷设计.结果表明:螺旋桨滑流使得飞机的响应幅值增大,算例飞机的垂尾侧向力、弯矩和扭矩限制载荷分别增大5.21％、8.21％和4.85％.     

基于非结构重叠网格的螺旋桨滑流非定常数值模拟

基于各向异性非结构混合网格及多套网格重叠技术,通过求解非定常雷诺平均Navier-Stokes(URANS)方程,分别研究了螺旋桨动力特性和螺旋桨滑流对涡桨飞机气动特性影响。运用物面相交准则实现多套网格间的挖洞,采用距离权和三线性插值技术传递重叠区变量信息,并针对定轴旋转优化了网格重叠边界。采用双时间步求解控制方程,内迭代计算采用LU-SGS(lower-upper symmetric Gauss-Seidel)方法。模拟了单独螺旋桨旋转的非定常流动,计算的拉力系数和扭矩系数与试验结果一致,表明采用的数值方法和网格技术能有效模拟螺旋桨滑流效应。数值模拟了某涡桨飞机,对比了有无滑流下飞机的气动特性,给出了滑流对飞机影响。结果表明:滑流导致其后部气流加速和旋转,改变飞机气动特性,增大飞机的阻力和俯仰力矩,导致气流下洗,影响机翼及平尾压力分布。      

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。     

CFD在螺旋桨飞机滑流影响研究中的应用

通过求解绝对坐标系下的非定常雷诺平均Navier-Stokes方程，计算了非定常滑流对某飞机巡航构型低速状态的气动特性影响。为描述螺旋桨桨叶的相对运动，采用了动态重叠网格技术，并在并行环境下采用全隐式双时间步方法和多重网格技术来保证时间精度和提高计算效率。将计算结果与试验结果相比较，在线性段，计算得到的升力系数与试验值总体偏差不超过2%，阻力系数相对试验值而言整体偏大，基本控制在8%左右，俯仰力矩系数的计算结果与试验值趋势一致。总结了滑流对螺旋桨飞机宏观气动特性的影响规律，由于滑流在空间发展过程中不断与周围空气相混合，使得滑流边界逐渐"模糊"，因此滑流流管在空间发展过程中的巨大畸变对滑流影响的分析工作带来了难度。针对这种现象，本文将有/无滑流的流场进行对比，通过当地动压增量来定义滑流的加速效应边界，以及通过当地气流角增量来定义滑流的洗流效应边界。该方法能较好地捕捉和解释由于滑流对飞机部件干扰而使得飞机方向安定性呈现的非线性现象，初步揭示了螺旋桨滑流复杂尾迹流动的特点，在螺旋桨飞机非定常滑流影响机理研究方面具有一定的参考价值。     

考虑螺旋桨滑流的涡桨运输机失速速度的适航验证

涡桨运输机使用螺旋桨作为能量输出，滑流是螺旋桨飞机的重要特征，在适航验证时需考虑。失速速度是反映飞机气动特性的重要参数，在开展失速速度的验证时考虑滑流的影响尤为重要。分析了螺旋桨滑流对飞机气动特性的影响，根据涡桨运输机失速速度的适航规章条款CCAR25.103的相关要求，提出了涡桨运输机考虑滑流影响的失速速度的适航验证思路及具体的验证方法。以一型涡桨运输机滑流影响的风洞试验为例，给出了该型飞机在发动机慢车状态下，巡航构型时考虑滑流影响的纵向气动特性试验结果，试验结果进一步证明了在进行失速速度验证时考虑滑流影响的重要性，为失速试飞提供了依据。文中给出的验证方法为涡桨运输机的失速速度以及飞行性能和飞行品质相关的其它适航条款的验证提供了参考。     

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。     

螺旋桨滑流对飞机绕流影响的试验研究

在国产双涡桨支线飞机发展过程中，曾专门研究索螺旋学桨滑流对飞机表面压力分矾的影响。本文以此为基础，从滑流对飞机绕流影响出发，研究了螺旋桨滑流引起飞机气动特性的变化，重点讨论了气动特性变化的机理。     

螺旋桨飞机滑流机理分析

通过对螺旋桨飞机滑流理论的研究,介绍了螺旋桨滑流的研究方法,分析了螺旋桨滑流现象,最后指出了滑流对机翼特性的影响。     

考虑滑流影响的分布式螺旋桨布局优化设计

相对于传统螺旋桨飞机,前缘分布式螺旋桨飞机的滑流对整个机翼周围的流场特性影响更大.在分布式螺旋桨飞机动力布局设计过程中,应当考虑螺旋桨布局对滑流和机翼绕流的影响,使得机翼在滑流作用下表现出更好的气动特性.首先,基于雷诺平均Navier-Stokes方程,用等效盘代替真实螺旋桨,并采用重叠网格方法进行网格布局,优化过程中快速自动生成流场计算网格,获得机翼在滑流影响下的气动数据.然后,基于量子粒子群寻优算法建立分布式螺旋桨布局优化设计系统,使用该系统对采用NACA4412翼型的平直机翼和5个前缘分布式螺旋桨组成的构型进行了分布式螺旋桨布局优化设计.结果表明:等效盘模型能够对分布式螺旋桨滑流进行高效的数值模拟;优化后的分布式螺旋桨动力布局能使构型在起飞状态下升力系数提高5.6％,同时阻力系数减小13.9％.因此,建立的考虑滑流影响下机翼气动特性的分布式螺旋桨动力布局优化设计方法是可行且有工程应用价值的.     

涡桨飞机螺旋桨滑流气动干扰效应及流动机理

螺旋桨滑流对飞机各气动部件的干扰是涡桨飞机气动设计中面临的难点之一。以某双发涡桨支线客机为对象，采用数值模拟手段分析了滑流对机翼、平尾、垂尾的影响及其流动机理。计算采用基于动态面搭接网格技术的非定常方法，气动力与表面压力分布的计算结果均与实验值吻合良好。研究结果表明：在滑流影响下，全机升力和阻力有所增加，升阻比和纵向静稳定度有所降低，并在无侧滑状态下产生了滚转力矩和偏航力矩；在不同展向位置，滑流对机翼表面流动分离的影响存在显著的差异。在螺旋桨下行运动一侧，滑流的旋转减小了当地迎角，同时桨后气流速度较高，翼面流动分离被有效抑制。在螺旋桨上行运动一侧，滑流的旋转增大了当地迎角，而且桨后气流速度较低，因而翼面流动分离并未得到明显改善；在中小迎角下，滑流对背景飞机平尾当地的动压没有产生影响，但增加了下洗角变化率，进而导致平尾效率降低；垂尾的侧力与偏航力矩是由滑流的侧洗引起的，而滑流的侧洗又与左右两侧机翼升力分布的不对称性有关。     

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。     

螺旋桨非定常滑流的高效数值模拟研究

基于自主研发的大型"亚跨超CFD软件平台"(TRIP3.0),开发了针对螺旋桨飞机的旋转机械非定常求解模块。控制方程采用曲线坐标系下的非定常Euler方程,综合运用动态拼接结构网格技术和双时间步推进方法,重点模拟了双发螺旋桨飞机在螺旋桨转动时的非定常滑流效应。为了保证计算模拟的高效性,引入多重网格技术和大规模并行计算技术。通过模拟某单独螺旋桨验证算例,验证了该方法的可行性。模拟了不同迎角和螺旋桨转速下全机的气动特性,分析了滑流对流场的影响情况,结果表明:螺旋桨滑流对全机流场和气动特性影响明显,并使得升力系数增大。     

螺旋桨飞机近地飞行时的纵向稳定性

根据某型飞机气动试验数据,分析了地面效应和螺旋桨滑流增量对飞机静稳定性的影响;根据小扰动线性化方程,计算了不同飞行条件下的飞机模态特性,分析了地面效应和螺旋桨滑流对飞机动稳定性的影响。结果表明：地面效应将使飞机纵向运动频率增加,而阻尼比降低;地效区内滑流增量使短周期震荡频率和阻尼比均增加,也使长周期阻尼比增加,而对长周期模态频率的影响不大;无地效时,滑流将使长短周期两种模态的频率均降低,而阻尼比增加。     

一种推进式螺旋桨无人机滑流效应影响研究

针对推进式高空长航时螺旋桨无人机布局,应用基于多参考系模型的数值模拟方法开展无人机滑流效应气动影响的三维数值模拟研究。研究结果表明多参考系模型的流动现象能够符合真实螺旋桨的前后流动特征,并且可以较好地模拟螺旋桨滑流对飞机气动性能的干扰。起飞状态螺旋桨滑流效应对全机气动特性影响最强,爬升状态影响减弱,巡航状态影响最小。滑流效应影响随着推力增加而增大,相同推力不同桨距条件下滑流效应影响基本相同。起飞状态无人机尾部受到螺旋桨大推力滑流效应影响压差阻力急剧增加,导致全机气动性能下降。     

考虑螺旋桨滑流影响的机翼气动优化设计

涡桨飞机的机翼、短舱等部件在滑流作用下周围的流场特性与无滑流状态下截然不同。所以,应该在涡桨飞机的机翼气动设计过程中考虑螺旋桨滑流的影响,从而使得机翼在真实飞行时滑流作用下表现出更好的气动特性。采用基于雷诺平均Navier-Stokes方程的多重参考坐标系(MRF)方法对螺旋桨滑流进行高精度准定常数值模拟,通过自由变形(FFD)技术实现螺旋桨飞机机翼的参数化构建,应用径向基函数(RBF)插值的动网格技术进行网格自动生成,获得样本机翼在滑流影响下的气动数据后,建立目标函数和状态函数的Kriging代理模型,结合随机权重粒子群优化(PSO)算法、Kriging代理模型和对应的EI(Expected Improvement)函数加点准则进行加样本点以及代理模型重建,从而建立滑流影响下机翼气动优化设计系统。使用该系统对某型螺旋桨飞机进行了滑流影响下的优化设计,结果表明,优化后的构型机翼和短舱在巡航状态下减阻达3.98counts,升阻比提高了3.325%。因此,建立的考虑滑流影响下的机翼优化设计方法是可行的。     

高空长航时无人机螺旋桨滑流效应影响研究

推导和分析了以多参考系模型作为螺旋桨计算模型的控制方程。应用数值模拟方法开展高空长航时无人机滑流效应影响的三维数值模拟研究。研究发现,多参考系模型的流动现象能够符合真实螺旋桨的前后流动特征,并且可以较好地模拟螺旋桨滑流对飞机气动性能的干扰。螺旋桨滑流效应使V尾表面流线发生偏转和收缩加速,V尾表面的压力分布明显改变。起飞状态螺旋桨滑流效应对全机气动特性影响最强,爬升状态影响减弱,巡航状态影响最小。滑流效应影响随着推力增加而增大,相同推力不同桨距条件下滑流效应影响基本相同。起飞状态无人机尾部受到螺旋桨大推力滑流效应影响压差阻力急剧增加,导致全机气动性能下降。     

一种分布式电动飞机螺旋桨滑流影响机理

提出了一种分布式电推进螺旋桨飞机，采用二阶精度求解RANS方程的k-ω SST （Shear-Stress-Transport）湍流模型，基于多参考系（MRF）方法，针对低速特性进行数值模拟，得到了分布式螺旋桨滑流效应对全机气动特性的影响规律，重点对螺旋桨后方速度场及机翼表面压力分布进行分析。结果表明有滑流状态增加了全机升力和阻力，升力系数最大增量超过65%，且升力增量随迎角的增加而增大，改善了失速性能，增加了低头力矩；螺旋桨旋转增加了周向速度，改变了径向速度分布，增加轴向速度，高能量螺旋桨滑流改变了机翼当地升阻力特性；螺旋桨桨叶向上旋转一侧气流受上洗影响而局部迎角增加，另一侧局部迎角降低，越靠近桨盘位置，受螺旋桨洗流带来的影响越大；螺旋桨的旋转方向对螺旋桨两侧的机翼表面压力分布有较大影响，尤其是翼尖螺旋桨对全机气动性能影响较大。     

螺旋桨对襟翼增升效果影响的数值模拟

寻找增大起降升力系数、降低起降距离的方法,一直是飞机设计领域的重要研究问题。文中通过数值模拟的方法,研究了螺旋桨滑流对飞机机翼和襟翼气动特性的影响。计算结果表明,螺旋桨的滑流对襟翼的增升有显著的提升效果,并且随着襟翼的偏转角度增大及螺旋桨的转速的提高越大,该效果也会进一步增强。通过该研究,在飞机设计时可以综合考虑上述影响,选取合适的螺旋桨和襟翼进行配合,找到螺旋桨的最佳位置,得到最大的升力系数,降低起降场长。     

涡桨飞机滑流影响的非定常数值模拟验证

通过求解绝对坐标系下的非定常雷诺平均Navier-Stokes方程,计算了螺旋桨非定常滑流对某涡桨飞机起飞构型低速状态的气动特性影响。为描述螺旋桨桨叶的相对运动,采用了动态重叠网格技术,并在并行环境下采用全隐式双时间步方法和多重网格技术来保证时间精度和提高计算效率,计算结果与试验值相当吻合,研究表明:滑流区内襟翼上的动压得到明显增强,同时高速滑流也起到一个吹除在大偏度襟翼上堆积的附面层作用,延迟了襟翼上气流的分离,这两个因素明显提高了襟翼效率,另外经过机翼的导流作用后,滑流对襟翼的洗流不像机翼那么明显。本文还将有无滑流的流场进行对比,通过当地动压增量来定义滑流的加速效应边界,以及通过当地气流角增量来定义滑流的洗流效应边界。该方法能较好地捕捉和解释滑流对飞机部件干扰而使得飞机方向安定性呈现的非线性现象,初步揭示了螺旋桨滑流复杂尾迹流动的特点。     

非对称入流对“螺旋桨/机翼”系统气动特性的影响

针对“螺旋桨/机翼”系统在复杂非对称入流情况下的非定常气动相互干扰问题，采用混合结构-非结构滑移网格方法，结合非定常雷诺平均Navier-Stokes方程，研究了偏航角及入流条件（包括攻角和来流风速）对螺旋桨/机翼相互气动干扰和滑流流场的影响，并与无滑流模型计算结果进行对比。结果显示：在三维非对称入流的影响下，偏航角从0°增加到20°时，机翼升、阻力系数分别降低了4.9%和10.64%，但是螺旋桨的拉力系数和推进效率则大幅提升了18.36%和7.26%，非对称入流机翼升力系数曲线变化幅度为对称入流的4倍。在攻角不变，改变偏航角时，螺旋桨滑流增加了机翼俯仰力矩稳定性裕量。但是随着攻角的变化，飞机纵向不稳定性逐渐增加，在桨后气流的影响下，两侧机翼上表面吸力峰均向左和向前移动，上下表面的吸力峰值均明显增大。在不同的风速下，有滑流影响的机翼升力特性相对无滑流影响的机翼增加量均在20%附近，且不断增大。