变前掠翼气动布局纵向性能研究

发展和改进了一种变前掠翼气动布局及其设计思想,设计了集战斗和轰炸于一体的通用任务模式,并根据设计指标和翼身融合技术初步设计了变翼几何外形。采用N-S方程计算了该几何外形不同构型的纵向气动性能,分析了机翼前掠角对不同任务模式下纵向气动性能的影响。结果表明,变前掠翼气动布局可通过改变机翼前掠角来获取最佳纵向气动性能。     

前/后掠机翼气动特性对比分析

基于NACA0012对称翼型设计了前掠机翼、后掠机翼和平直机翼,采用CFD方法计算了3种机翼的升力系数、阻力系数和俯仰力矩系数,通过压力云图和流线图分析了3种机翼的气动特性及流动机理。研究结果表明:前掠机翼上表面的流动是由翼尖流向翼根,翼根首先出现分离,而后掠机翼上表面的流动是由翼根流向翼尖,翼尖首先出现分离,平直机翼由于受翼尖涡的下洗影响,翼根首先出现分离;在30°斜掠角下,前掠机翼形成了机翼前缘涡,表现出旋涡流态气动特性。研究结果揭示了不同机翼之间的流动差异,有助于在飞行器设计过程中选择合适的气动布局。     

鸭翼-前掠翼气动布局纵向气动特性实验研究

前掠翼布局由于其潜在的优势,在未来战斗机的研制中将占有日益重要的地位.本实验通过可变前掠翼和鸭式前翼布局的风洞测力实验,重点分析比较了平板机翼在不同掠角下的纵向气动性能以及鸭翼的影响.实验结果表明,前掠翼在大迎角时能有效提高模型的升力系数,小迎角时其升阻比也略优于后掠翼.前掠翼布局能有效推迟失速,具有良好的失速特性;前掠角较大时,升力系数曲线在失速迎角附近有一个升力系数的"平台",该布局具有"缓失速"特性.距离主机翼较远的鸭式前翼(模型M2)在主机翼前掠和后掠情况下,均可改善整体布局的失速特性,增大失速迎角,增强前掠翼布局缓失速的特点.近距耦合鸭翼(模型M3)显著提高了模型在大迎角下的升力系数.另外,主翼前掠和鸭式前翼布局飞行器具有较好的机动性.     

机翼掠角对前掠翼布局气动性能影响的流动机理

采用N-S方程和SST模型数值模拟方法,对比了前掠翼和后掠翼飞机气动性能的差异,对不同前掠角前掠翼布局的飞机纵向气动性能进行了比较,分析了其流动特性,总结了前掠角对前掠翼布局气动性能的影响.研究结果表明,前掠翼与后掠翼气动性能差异的根源是展向速度的不同;小迎角(α<16°)时,前掠角较小的模型气动效率较高,升力系数和升阻比也较大;大迎角(α>16°)时,随着前掠角的增大,前缘涡和侧缘涡增强,对翼面流动产生有利控制,因而前掠角大的模型升力系数较大.该研究可为前掠翼布局的设计提供理论依据.     

大展弦比复合材料前掠翼气动弹性分析

对某大展弦比复合材料前掠翼的气动弹性特性随前掠角的变化进行研究，为总体设计选择合适的前掠角提供依据。分析时选取了五种前掠角情况进行了变形分析、模态分析、颤振分析、发散分析和静气弹响应分析。结果表明，随着前掠角的增加，机翼的发散速度逐渐降低，翼尖最大垂直位移、翼尖最大扭角和弹性升力线斜率与刚性升力线斜率的比值均逐渐增大。     

前掠翼布局中鸭翼气动影响的数值模拟

 采用三维Navier-Stokes方程和剪切应力输运（SST）湍流模型,就鸭翼不同位置和形状对前掠翼鸭式布局气动性能的影响进行数值模拟,并针对风洞试验方法难于分部件研究机翼、鸭翼以及机身各自气动特性的缺点,对布局升阻特性按部件分解研究并分析流动机理。研究结果表明：前掠翼鸭式布局气动性能（特别是在大迎角情况下）与鸭翼位置及其形状紧密相关,高位近距后掠式鸭翼可以与机翼产生更为有利的相互干扰,与无鸭翼布局相比最大升力系数提高约28.3%,最大升阻比提高约15.4%,大大地提高了前掠翼布局的纵向气动性能。该研究结果可为先进前掠翼布局飞机的预研和发展提供一定的理论参考。     

展向动量测定法与前掠翼流动机理研究

为揭示前掠翼与后掠翼的流动差异,研究前掠翼流动的特点和机理,设计了可进行直接比较的具有相同翼型剖面、相同展弦比、无根梢比的前掠45°(Λ=-45°)与后掠45°(Λ=45°)机翼模型,采用基于雷诺平均N-S方程流场求解器对前掠和后掠翼低速纵向气动性能进行数值模拟计算,并提出了展向动量测定法前掠翼流动机理进行了深入分析,研究结果表明:1)前掠翼展向动量输运使得升力向翼根汇聚,前掠翼展向升力分布更接近于椭圆分布,致使前掠翼诱导阻力更小;2)黏性对前掠翼的流场计算影响很大,文献中基于势流理论得到前掠翼比后掠翼气动性能好的结果是不准确的;3)在小迎角时,前掠翼气动效率与后掠翼相当,仅在最大升阻比迎角时前掠翼优于后掠翼,中等迎角下前掠翼翼根分离导致气动效率下降,但前掠翼具有更好的大迎角失速特性,有利于前掠翼大迎角飞行;4)相同总升力的情况下,前掠翼的翼根弯矩只有后掠翼的翼根弯矩的89.4%,采用前掠翼更有利于减轻机翼的结构重量。     

弹性变形对前掠翼气动特性的影响分析

针对弹性变形对前掠翼气动特性的影响,基于改进的CFD/CSD松耦合静气动弹性数值计算方法,在高亚声速条件下,对前掠角χ=10°,20°,30°的前掠翼纵向气动特性和副翼操纵效率进行了计算和分析。结果表明,迎角较小时,弹性翼的升力、升阻比和俯仰力矩较刚性翼大,大迎角时恰恰相反;随着前掠角的增加,机翼的弯扭变形和气动参数变化的程度愈加剧烈;在最大升阻比、迎角α=4°、副翼偏转角δ=20°时,弹性翼的副翼操纵效率略大于刚性翼。该研究可为前掠翼布局的设计提供借鉴。     

大展弦比前掠翼气动隐身多目标优化

前掠翼布局优越的气动性能为无人机气动布局设计提供了一条新的方向。采用CST方法对翼型几何外形进行参数化描述,实现前掠翼气动和隐身多学科优化设计模型的参数化描述。建立了基于N-S方程的计算流体力学方法的前掠翼气动分析模型和基于矩量法的计算电磁学方法的前掠翼隐身分析模型。提出了基于Kriging模型的前掠翼气动隐身多目标优化方法,采用拉丁超方试验设计方法获取样本点,建立前掠翼气动和隐身的Kriging代理模型。将Pareto多目标遗传算法与Kriging代理模型结合进行大展弦比前掠翼的气动隐身多目标优化设计。研究结果表明,所建立的分析模型是合理的,所提出的多目标优化设计方法是可行的,能够有效提高大展弦比前掠翼性能与优化效率。     

环翼机低速气动特性风洞实验研究

环翼机具有前、后翼,前翼后掠,后翼前掠,机翼在翼尖处连接,形成一个环状结构。为了解环翼的气动特性及环翼的几何参数对环翼机气动特性的影响,本文在低速风洞中对3种不同几何参数环翼飞机进行了纵向及横向测力实验,其中包括前、后翼几何参数改变对气动特性的影响。实验结果表明,与常规飞机相比,环翼机具有如下优点：诱导阻力小,失速特性好,操稳性能易于满足。实验得到的有价值结果,对环翼布局飞机的气动计算和合理设计具有重要意义。     

伴随压力分布反设计方法在大型客机气动优化中的初步探索

从工程应用角度出发,对离散伴随压力分布反设计优化方法在宽体客机机翼设计中的应用进行了研究。提出了三维构型伴随压力分布反设计与伴随优化相结合的优化设计思路,促进了离散伴随气动优化设计方法的工程化。首先,针对CRM机翼构型进行了三维压力分布反设计,验证了离散伴随压力分布反设计在三维问题中的准确性和高效性。其次,应用提出的新的优化设计思路,在某宽体全机构型两点气动优化结果的基础上,引入压力分布反设计约束方法,改进了机翼压力分布和低马赫数的阻力蠕增特性,并取得了不错的减阻及阻力发散特性提升效果,提升了优化构型的工程适用性。     

联接翼气动／结构协同优化设计

联接翼是一种将前翼和后翼连接在一起的飞行器布局形式。针对联接翼气动／结构一体化的布局概念，通过结构有限元参数化建模、结构优化、试验设计和响应面模型技术，采用基于响应面的协同优化算法对其进行了气动与结构一体化设计，所获计算结果对大展弦比联接翼飞机构型初步设计具有参考价值。     

基于近似技术的高亚声速运输机机翼气动/结构优化设计

探索基于近似技术的高亚声速运输机机翼气动/结构多学科设计优化方法,建立了基于近似技术的多学科设计优化框架。气动学科采用全速势方程加黏性修正进行翼身组合体跨声速流动的气动计算,结构学科采用有限元分析方法进行应力与变形计算。采用均匀设计法给出若干样本点,分别采用二次响应面、Kriging模型和径向基神经网络等多种近似技术,构造气动学科和结构学科的近似分析模型,并对几种近似模型精度进行了分析和比较。研究发现,Kriging模型和二次响应面具有几乎等同的较高的近似精度,神经网络的近似精度则较差,由于二次响应面计算量更小,故最终选定为机翼设计优化的近似方法。以升阻比和结构重量为目标,考虑升力、机翼面积以及应力和应变约束条件,对运输机机翼4个外形参数和4个结构参数进行多目标、多约束优化设计。优化后的机翼具有较好的气动/结构综合性能,表明本文方法是可行的。     

机翼结构重量预测的多学科分析优化方法

为了克服现有机翼结构重量计算方法的局限性,提出一种基于多学科分析优化的机翼结构重量计算方法。以客机机翼为例,阐述整个计算流程。计算流程的关键步骤包括机翼外形和结构参数化建模、气动分析模型自动生成与外形优化、结构有限元模型的自动生成和结构优化。应用CAD软件CATIA的二次开发方法,实现机翼外形几何模型、结构布置几何模型和气动分析模型的自动生成;应用MSC.Patran的PCL编程技术,实现结构有限元模型的自动生成;应用等效刚度和等效强度方法,提高结构有限元模型自动生成的稳健性,缩短结构分析和优化的计算时间;应用多学科集成和优化技术,建立机翼结构重量预测的计算平台,实现整个计算过程的自动化。算例表明这种方法稳健、有效,可快速地分析机翼外形参数与结构重量之间的关系,分析不同展向载荷分布和不同选材方案对机翼结构重量的影响。     

低雷诺数多螺旋桨/机翼耦合气动设计

以临近空间太阳能无人机研究为背景,针对高空低雷诺数状态下多螺旋桨/机翼构型进行了耦合气动设计研究。首先,通过对典型多螺旋桨/机翼构型进行气动特性及流动特性分析,提出了以在多螺旋桨滑流影响下构建机翼近壁面理想流态分布形式为核心的低雷诺数多螺旋桨/机翼耦合气动设计思想;然后,基于该耦合设计思想,依次进行了多螺旋桨布局参数设计研究、低雷诺数流态区域二维翼型设计研究以及近似高雷诺数流态区域耦合螺旋桨滑流影响的机翼翼段设计研究;最后,通过相关设计结果的对比分析验证了所提出低雷诺数多螺旋桨/机翼耦合气动设计思想及设计方法的有效性和可靠性。结果表明：与常规仅进行低雷诺数翼型优化得到的设计结果相比较,基于所提出低雷诺数多螺旋桨/机翼耦合设计思想设计得到的多螺旋桨/机翼构型气动特性得到显著改善,在设计状态下,多螺旋桨滑流影响下的机翼阻力相对降低达8.8%,升阻比相对增大达12.1%,由多螺旋桨滑流为机翼气动特性带来的不利影响亦得到约64.5%的补偿和改善。     

吸气式空空导弹外形多学科一体化优化设计

针对采用整体式固冲发动机的吸气式空空导弹外形气动与推进耦合的推阻匹配设计难题,引入多学科优化设计方法提出了一种综合考虑气动/推进/质量/弹道的导弹外形多学科一体化优化设计技术。其中,气动性能预测采用代理模型技术,主要基于外形参数化建模、非结构网格技术和流场精细数值计算来自动构建气动数据库,据此建立了包含外形几何信息的气动预测代理模型,并对其预测精度进行了验证;推进性能预测采用推进求解模型,该模型根据固冲发动机理论建立,精度满足工程要求。对所建立的学科预测模型完成一体化集成后,以质点弹道仿真评估的战技指标为优化目标,对一款吸气式空空导弹进气道和翼面外形进行了优化设计,取得了推阻匹配的优化外形,优化后导弹动力射程提高10%。所提出的一体化优化设计技术,有助于吸气式空空导弹外形气动与推进耦合推阻匹配设计和提高导弹动力射程。     

大展弦比联接翼气动/结构一体化设计

联接翼是一种将前翼和后翼连接在一起的飞行器创新布局形式。本文针对联接翼气动与结构一体化的布局概念,基于结构有限元参数化建模、结构优化、试验设计和响应面模型,采用系统级优化算法对其进行了初步的气动/结构一体化设计,所获计算结果对联接翼飞机总体参数的确定具有参考价值。     

基于共轭方程法的跨声速机翼阻力优化设计

机翼的气动特性从根本上决定了飞机巡航状态下的气动特性,经过良好设计的机翼会明显地提升全机的气动特性。连续共轭方程方法由于其求解梯度的计算量与设计变量数目无关,可以对复杂构型进行有效的优化设计。本文采用连续共轭方程方法对粘性条件下的机翼气动外形进行了优化设计。采用有限体积法进行流动控制方程和共轭方程的数值空间离散,多步Runge-Kutta方法进行时间推进,对于某三维机翼进行了有效的气动优化设计。     

飞翼布局隐身翼型优化设计

针对飞翼布局设计中气动与隐身设计矛盾更为突出的问题,采用高精度气动和隐身计算方法,建立了基于Parsec参数化方法、径向基函数（RBF）神经网络、Pareto遗传算法和松散式代理模型管理方法的翼型多目标优化设计平台。根据飞翼布局内外翼不同功能和特点,确定了内外翼翼型不同的优化设计目标和约束条件,开展了兼顾气动与隐身性能要求的翼型综合优化设计研究。结果表明：对兼顾气动与隐身性能要求的飞翼布局,内翼段翼型主要通过弯度、前缘半径、尾缘角及厚度等设计,减小低头力矩和重点方位角的雷达散射截面（RCS）均值。外翼段翼型上表面的几何形状对跨声速气动效率的影响很大,应通过上表面设计提高跨声速气动效率,重点方位角RCS均值的减小则通过下表面设计实现。某些翼型参数对气动和隐身性能均有较大影响,但作用相反,应作为综合优化设计的主要设计参数,并采用不同的优化设计策略。Pareto方法给出的前沿阵面可为飞翼布局的三维设计提供更丰富的信息。     

一种实用的运输类飞机机翼/发动机短舱一体化优化设计方法

发展了一套基于遗传算法优化/Navier-Stokes方程分析的运输类飞机机翼/发动机短舱一体化设计方法,提出了一系列保证该方法工程实用性的解决方案,其中包括设计变量模块化、局部优化全机分析、超临界压力分布约束条件等。通过采用适当的计算网格、并行算法及数值方法,使得基于遗传算法优化/Navier-Stakes方程分析设计方法的运算时间在工程上能够接受。运用该设计方法对下单翼运输类飞机机翼/发动机短舱一体化设计开展了单点优化和两点优化,结合二者结果对比验证了该方法的有效性和工程实用性。单点优化得到的机翼压力分布呈现无激波特点,阻力系数随马赫数变化比较剧烈;两点优化得到的机翼压力分布为弱激波形态,阻力随马赫数变化比较缓和,所设计的机翼具有更好的鲁棒性和工程实用性。