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。     

前掠翼纵向气动特性的实验研究

本文基于风洞测力、测压、等试验结果,研究了前掠翼的气动力特点,并与相应的后掠翼做了比较。研究了改进前掠翼根部流动的措施和改进后的收益。在低速情况下,根部适当后掠可以较好地改善前掠翼根部的流动,获得较大的气动力收益。配置鸭翼可以进一步改善前掠翼根部的流动,得到更大的升阻比。例如,根部适当后掠的前掠翼（整流翼）配置鸭翼以后,C_y=0.5时的升阻比可比边条后掠翼配置鸭翼（两种布局升力面面积相等）的升阻比提高24％。 前掠翼在跨音速有较小的零升阻力和诱导阻力。当M_α=1.1,α=6°时,前掠翼的诱导阻力要比后掠翼的小12.5％。低速时改善根部流动的措施在跨音速时仍然有效。前掠翼以及根部适当后掠的前掠翼（整流翼）配置合适的鸭翼,也可使前掠翼的高速性能得到较大改善。     

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.     

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.     

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。     

前掠翼气动布局及低速纵向实验分析

本文依据低速风洞实验、载荷分布计算和跨超音速面积律计算,分析了前掠翼布局飞机的气动特性,提出了提高前掠翼气动特性的措施,并用对称性原理解决面涡法和面积律计算方法对前掠翼布局的应用。实验研究和计算表明:前掠翼布局有较好的气动特性,翼梢小翼可提高前掠翼的升力及升阻比。近距耦合的鸭翼及前掠翼翼根填块对改善前掠翼根的气流分离有显著效果。前掠冀比后掠翼更接近最佳载荷分布。有鸭翼的前掠翼组合体的轴向截面分布较易接近最佳当量截面分布,因而可显著减小零升波阻。     

前后掠翼鸭式布局中鸭翼涡的流动机理

基于前后掠鸭式布局的简化模型,通过求解雷诺平均N-S方程,模拟了前后掠鸭式布局的绕流结构,得到了不同布局下鸭翼的升力系数曲线.通过空间流线图,分析了单独鸭翼漩涡的发展特点,以及不同布局中鸭翼涡与机翼前缘涡的干扰机理.结果表明:在后掠翼鸭式布局中,鸭翼涡在大迎角时受到机翼前缘涡的有利干扰,增大了鸭翼的升力系数,提高了失速迎角;在前掠翼鸭式布局中,鸭翼的最大升力系数有所提高,失速迎角基本保持不变.     

筒形机翼升阻力特性的数值研究

采用有限体积方法,基于多块结构化的贴体网格,求解预处理形式的NS方程,数值模拟了筒形涵道机翼的气动特性.得到了筒形涵道机翼的升力系数、阻力系数和升阻比等气动力参数,通过改变机翼外形和来流参数获得了气动特性随涵道长径比、来流迎角等参数的变化关系.计算结果表明:采用S3021翼型的筒形涵道机翼的阻力系数和升力系数随长径比的增大而减小,升阻比特性随长径比和迎角的变化均不是单调的,在长径比0.75和迎角5°时可得到较大升阻比.     

复杂几何细节对增升装置气动性能影响研究

 采用数值模拟的方法研究了主翼翼根几何形状、翼吊发动机短舱、缝翼滑轨及襟翼滑轨舱等几何细节对增升装置气动性能的影响。研究结果表明:切割前缘缝翼时,将大部分翼根整流包留在主翼上会在大迎角下产生低能量的分离涡,造成增升装置气动性能显著恶化,而将大部分翼根整流包切割到前缘缝翼上,能破坏低能量分离涡的产生;大迎角下,短舱上表面、挂架表面及缝翼与挂架之间的间隙产生的分离气流会直接流到主翼上表面,形成大范围的死水区,因此,大尺寸的翼吊发动机短舱会造成增升装置失速迎角及最大升力系数的大幅减小,但安装在短舱适当位置、适当形状的涡流片产生的强漩涡能消除大部分的死水区,挽回部分气动性能损失;缝翼滑轨产生的低能量尾迹会混入主翼附面层,使其能量降低造成升力系数减小,极端情况下缝翼滑轨会直接诱发大范围的流动分离,造成增升装置气动性能的显著恶化;襟翼滑轨舱因其较大的几何尺寸会减小襟翼缝道的面积使得襟翼缝道射流加速,有利于吹走襟翼表面的物面分离。     

一种新的变前掠翼无人机气动布局

研究了一种新的变前掠翼无人机气动布局概念,在低、亚、跨和超声速状态下可通过改变机翼的前掠角来获取最佳的气动性能。根据设计指标和翼身融合技术初步设计了其几何外形,并采用三维Navier-Stokes方程数值模拟和对比分析了5种不同任务构型的气动特性。结果表明：①在Ma=0.6巡航时,平直翼加挂副油箱构型最大升阻比为14.55,而三角翼构型仅为8.29;②在Ma=0.4机动时,45°前掠翼构型失速迎角达到38°且具有最大的升力系数2.455,较平直翼构型提高了4.9%;③在Ma=1.5高速突防时,三角翼零升阻力系数最小,比平直翼加挂副油箱构型减小了14.4%,最大升阻比提高了34.6%;④所有计算状态下俯仰力矩特性均良好。研究结果验证了变前掠翼无人机气动布局新概念的合理性和先进性,可为高性能无人机的设计提供参考。     

一种翼身融合飞行器的失速特性研究

翼身融合（BWB）布局飞行器作为下一代商用飞机的主要构型之一，越来越受到重视。对于翼身融合飞行器的研究主要针对其巡航状态的特性，而对其失速特性的研究较少。对一种翼身融合客机构型进行风洞试验研究，采用测力试验方法对其无增升装置的构型，以及具有翼梢小翼、前缘缝翼和机身上部双吊舱的组合部件构型下的纵向特性进行研究，特别是对其失速特性的分析，并通过二维粒子图像测试技术以及油流试验对其失速过程的流动机理进行研究。结果表明，无增升装置的基本构型下，翼身融合飞行器可以保持低速飞行，而各组合构型都具有提高最大升力系数的作用。对失速过程的分析表明，随着迎角的增大，飞机表面流场分离区域从翼梢开始逐渐向翼根以及机身发展，当外翼段完全处于分离区域时，飞机并不会马上失速，因为中心体同样具有提供升力的作用，且中心体的流动分离较外翼的流动分离更晚，所以当外翼在失速迎角出现升力损失时可以通过中心体的升力进行补偿，维持其低速飞行状态，真正的失速发生在中心体出现流动分离之后。     

利用涡的有利干扰推迟翼涡破裂

本文通过测力和水槽流态观察试验研究了战斗机和导弹式的翼体组合体翼涡破裂的推迟措施。利用安置于机翼(弹翼)前方和机体两侧的大后掠、小面积的机体边条所产生的边条涡的有利干扰,可以有效地推迟翼涡的破裂,从而达到提高最大升力系数和临界迎角的目的,试验表明,安置在不同位置的机体边条均可不同程度地提高最大升力系数C_(Lmax),在适当位置时,可提高临界迎角α_(kp)达2°～3°。     

钝前缘三角翼无人机气动特性研究

三角翼布局因其优良的气动特性在军用飞机和无人机上获得了广泛应用.为了研究钝前缘三角翼无人机的气动特性,首先采用求解雷诺平均N-S方程的方法对NASA钝前缘三角翼标模进行对比计算,以验证计算方法的可靠度;然后对无人机四个升降舵偏角的气动力和流场特性进行分析研究.结果表明:三角翼无人机在升力系数较小时具有较高的升阻比,当迎角小于1 5°时,钝前缘三角翼前缘气流附体、吸力较高,翼面的横向流动不明显,使飞机的升阻比提高;当迎角大于15°后,涡流特征起主导作用,使得飞机在直到40°迎角范围内没有出现大面积气流分离,具有良好的俯仰稳定性,升降舵效率较高.钝前缘三角翼气动布局在翼展受限、翼载较小的条件下具有一定的气动特性优势.     

湍流模型对梯形翼高升力构型的影响

采用"亚跨超CFD软件平台"(TRIP)数值模拟了梯形翼全展长高升力构型,主要目的是考察湍流模型对高升力构型气动特性的影响。相应的风洞试验是1998年在NASA Ames 12英尺增压风洞中完成的。本文采用一方程和两方程湍流模型,数值模拟了全展长高升力构型的气动特性并给出了典型站位的压力分布。研究表明,与修正后的试验数据相比较,在定常可收敛的迎角范围内,两种湍流模型得到的气动力系数和压力分布与试验结果吻合较好,SA一方程湍流模型的计算结果更接近试验值;迎角大于19.19°后,襟翼后缘的较大范围分离是导致采用SST模型不能得到收敛的气动特性的主要原因。     

复合无人飞行器气动特性研究

基于对复合无人飞行器三维流场数值模拟计算,比较分析了串列翼布局方案和单机翼布局方案复合无人飞行器在巡航状态下的气动性能优劣.分析了串列翼系统中前后翼气动特性上的差别,前翼的气动效率要高于后翼,前翼要先于后翼失速.研究了前后翼垂直相对距离对串列翼气动性能的影响.计算了不同迎角下全机的气动力系数,通过分析机身和机翼对全机气动力贡献情况,建议对于复合无人飞行器气动设计,机翼设计以获得较大的升力系数为目标,机身设计以获得最小的阻力系数为目标.     

战术弹大迎角气动特性研究

本文基于多种气动外形导弹的实验数据和分离涡理论的研究表明,具有短前弹身的组合体可以抑制低速雷诺数变化对气动力和压力中心的重大影响,除极小展弦比外,通过的翼身组合体对大迎角横向气动力特性具有“整流”的效应,它对控制有利;揭示了导致翼身组合“＋”,“Ｘ”差别的机理,分析表明,引起差别的根源在于“＋”,“Ｘ”分离涡对粘性升力的贡献不同,因此弹簧后掠角越大,展弦比越小,引起的差别也越大,大迎角实验数据的零     

前掠翼根部流动分离的控制

 在风洞和水洞中研究了机翼根部修形、活动边条、固定边条、边条襟翼和链接边条在控制前掠翼根部流动分离方面的作用。分析了上述措施对机翼流动的干扰机理及其对气动性能的影响。研究结果表明,各种措施对控制前掠翼根部流动分离均有明显效果,可提高大迎角升阻特性,改善纵向力矩特性和配平能力。固定边条和边条襟翼还可改善中小迎角的升阻性能,链接边条和边条襟翼则可使失速性能提高。加鸭翼后上述气动收益更加明显。     

半展长襟翼梯形翼构型数值模拟技术研究

基于雷诺平均的 Navier-Stokes 方程和拼接结构网格技术,采用 MUSCL 格式和 SST 湍流模型,研究了网格密度对半展长襟翼梯形翼高升力构型的数值模拟结果的影响。相应的风洞试验是1998年在 NASA Ames 12英尺增压风洞(PWT)中完成的,试验结果包括了总体气动特性、压力分布。研究内容主要包括网格密度对收敛历程、气动力特性、压力分布和表面流线的影响,以及气动力特性随迎角的变化。研究表明,Ma=0.15,α=16.7°时,网格密度对收敛历程、典型站位压力分布和表面流态基本没有影响,气动力特性随网格密度单调变化;采用不同密度的网格,典型剖面的压力分布与试验结果吻合良好;与修正后的试验数据相比较,数值模拟得到的失速迎角前的气动力系数与试验结果吻合良好。     

机身边条对双三角翼飞机升力特性的影响

通过低速风洞测力试验和七孔探针对空间流场的测量,研究了机身边条对双三角翼飞机升力特性的影响,并分析了机身边条的增升机理。研究表明机身边条在攻角12°以后使升力有了很大提高,这是由于机身边条产生的边条涡在一定迎角下与内翼涡相互诱导、相互作用,内翼涡使边条涡向机翼内侧移动,而边条涡则将内翼涡向外推,并使内翼涡的强度增大,两者的作用提高了双三角翼内翼上的涡升力,起到增升的作用。     

近耦鸭式布局干扰气动力实验研究

 使用能单独测量鸭翼部分气动力的“鸭翼天平”及全机气动力天平,对一可组拆的鸭式布局模型进行了干扰气动力的实验研究。发现在α<20°时鸭翼与主翼间的干扰是不利的,使升力下降。α>32°时干扰变得有利。α=32°时干扰升力可占到总升力的24％。若主翼为前掠翼,构成鸭式布局的气动特性更好。