翼型喷气增升效应的数值模拟

应用数值方法模拟了飞行器升力面下表面喷气的增升作用。数值模拟的出发方程是Ｎ－Ｓ方程,格式为Ｂｅａｍ－Ｗａｒｍｉｎｇ格式的改进型。模拟结果表明：喷气增升主要是通过改变上、下翼面的压力分布实现的。在一定范围内升力随气流出口速度增加而加大,气流出口速度超过一定值后升力开始下降。喷口位置后移增升效果较好。单一增大气流出口压力时增升效果无明显变化。     

表面吸气方法控制分离的数值模拟

本文使用数值模拟方法研究了吸气效应对分离的控制及增升作用。数值模拟采用的出发方程为可压流的Ｎ－Ｓ方程，格式为Ｂｅａｍ－ｗａｒｍｉｎｇ格式的改进型。主要研究结果表明：（１）在一定的吸气压强Ｃ＿（ｐｓ）范围内，绕圆柱流动的卡门涡街现象基本消失，流动从典型的非定常流趋于定常，圆柱的升阻比明显提高；（２）对于圆柱，吸气压强系数Ｃ＿（ｐｓ）＝－６时，综合效果比较好；（３）吸气孔位置开在圆柱上表面逆时针方向６０°时，圆柱的升阻比较高；（４）吸气可有效地提高翼型的升力     

翼身融合民机扰流板增升技术

为满足翼身融合（BWB）民机增升装置简单、高效的设计需求，以配置三段高升力系统的BWB民机增升构型为对象，采用数值模拟方法研究了下偏扰流板技术的增升机理与设计原则。研究结果表明，设计合理的下偏扰流板能够将BWB民机增升构型设计点升力系数提高约20%；其增升机理集中体现为对缝道射流、流场能量分布、环量及其分布的控制作用。其应用于BWB民机增升装置的设计原则为：扰流板偏转后上表面延长线应与襟翼上表面相切，控制缝道宽度使增升装置环量增大并前移，控制扰流板偏度避免扰流板内段过早分离。研究还表明，受增升装置三维效应影响，扰流板下偏翼型上洗作用越强，则相应三维增升装置升力损失越大，并呈近似线性变化规律。下偏扰流板改造简单，且有助于简化襟翼作动机构，是一种很有潜力的增升技术，具有深入研究的价值和良好的应用前景。     

腹部襟翼对飞翼布局飞行器起降气动特性的影响

以某飞翼布局飞行器为初始外形，利用数值模拟方法针对起降状态下腹部襟翼的安装位置及偏度进行了选型研究，并得到了腹部襟翼打开对升降舵舵效以及地面效应的影响规律。结果表明，当腹部襟翼位于重心后40%平均气动弦长时，在保持大迎角良好增升效果的同时对俯仰力矩的改变量也较小；随着腹部襟翼偏角变大，升力系数和阻力系数呈现出准线性增长，而俯仰力矩变化量较小，升降舵偏转1°左右即可配平；相比于腹部襟翼关闭状态，腹部襟翼打开后，升降舵舵效降低约6%,飞行器地面效应引起增升量变大，但纵向静稳定度有所降低。     

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。     

旋涡对翼型的气动干扰

用数值模拟方法研究了旋涡对翼型的气动干扰。出发方程是N-S方程。数值格式为Beam-Warming格式。结果表明,旋涡位置改变,其对翼型的气动(激波和升力)干扰随之有显著变化;涡的有利干扰可使翼面上流动分离受到一定程度的控制,导致翼型升力增大;涡的位置和强度的合理组合能有效地提高升力。计算还表明,单一旋涡扫过翼型时平均升力将提高50％左右。     

不同分布式螺旋桨转向组合下的机翼滑流效应研究

目前航空喷气式发动机仍为运输类飞行器的主要动力且仍在不断进步,但关于未来航空运输的分布式螺旋桨推进、分布式涵道推进等各类电推进概念研究早已开始,并将成为未来运输类航空飞行器的核心竞争力。文中首先采用等效盘方法对单独螺旋桨进行算例验证,计算得到的拉力、扭矩与试验结果吻合较好,且与非定常时间平均的滑流速度分布相近;然后,基于雷诺平均N-S方程,结合SA湍流模型,运用无厚度圆盘代替真实分布式螺旋桨,完成四种分布式螺旋桨旋转组合下的机翼滑流效应研究;最后,对单个螺旋桨正反转情况下的滑流效应进行研究,特别是单个螺旋桨滑流对机翼升阻力增量影响情况。分析结果表明:四种分布式螺旋桨转向组合下的滑流效应均引起机翼升阻力增大;机翼升力与其上下表面吸力峰数量关系密切,而分布式螺旋桨的转向组合直接决定了机翼吸力峰数量,特别是翼尖螺旋桨转向;相邻桨叶转向相反时,其转轴中间位置桨叶均处于上行或下行状态,使得转轴中间区域机翼前缘吸力相对转向同向状态有所加强或减弱;翼尖螺旋桨逆翼尖涡方向旋转具有增升减阻效果,反之则增阻减升。     

分布式涵道风扇对BWB无人机气动特性的影响研究

由于分布式推进翼身融合（BWB）无人机综合性能显著，是未来航空领域飞行器发展的趋势，因此分析分布式BWB布局无人机的气动特性对于进行分布式BWB布局设计有着重大的基础意义。本文运用计算流体力学（CFD）数值模拟计算，利用混合网格技术和k-ωSST湍流模型求解雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程的方法，研究了有/无动力、涵道展向位置以及涵道间距等参数对全机在巡航状态下的气动影响。研究表明，在相同工况下，有分布式动力能够提升全机的气动特性，且外翼段是提供升力的主要方式；涵道风扇合理的间距能产生更好的诱导增升效果，表现为在小迎角下，全机升力系数随涵道间距的增加先增大而后几乎保持不变；在大迎角下，随着涵道间距的增加，全机升力系数逐渐提升，其最大增量为9.3%。以上对此类飞行器的研究分析对分布式推进BWB无人机气动布局设计具有一定的参考价值。     

飞翼布局飞行器等离子体激励增升技术试验研究

为研究等离子体激励器布置位置和控制参数对飞行器增升控制效果的影响规律,以飞翼布局飞行器为对象,采用纳秒脉冲放电方式,开展了激励器布置位置对飞行器增升效果的影响研究试验,在研究激励器控制参数对增升效果的影响时,分别采用了纳秒脉冲和AC放电方式进行了试验。研究结果表明,等离子体激励器能够显著增加飞翼布局飞行器的最大升力系数,延缓失速发生,对阻力系数的影响较小;激励器以平行于飞行器前缘方式布置时,增升效果较好,布置于前缘位置增升效果最佳,试验状态下可使飞行器最大升力系数增加39.5%,失速迎角推迟8°;纳秒脉冲放电方式下,调制频率变化对飞行器增升效果影响明显,激励电压对增升效果影响较小;AC放电方式下,占空比对飞行器增升效果有一定影响,占空比的选取不宜过大。     

基于N-S方程的地面效应模拟

模拟了低速情况下二维翼型的地面效应问题，其中翼面流动利用一种改进的、基于不可压N－S方程的离散涡方法来模拟，地面模拟则利用一系列连续分布的涡板块来实现。利用上述模型研究了地面对翼型表面流动和压力分布的影响，并对有地面存在条件下的尾涡发展规律进行了讨论。计算结果表明，该方法能够有效地模拟低速情况下翼型的近地面流动，具有一定的工程应用价值。     

三角翼跨声速动态失速与涡破裂特性研究

通过数值方法研究了高速气流中细长三角翼作匀速上仰机动飞行时的背风面分离流与涡破裂特性和气动力特性。结果表明,在三角翼匀速上仰非定常绕流中,涡破裂起始攻角与上仰速度关系比较复杂,在本计算速度范围内,涡破裂起始攻角变化很小;动态时涡破裂点发展速度随攻角变化规律与静态结果差别甚大;三角翼大攻角非定常绕流前缘涡涡轴附近的流动以不稳定涡和涡破裂为主要特征;在一定的上仰速度以后即使在中等攻角前非定常升力与定常升力仍有较大差别,与低速情况有所不同;上仰运动使涡破裂点发展速度被延缓,从而提高了失速攻角和最大升力,并使失速攻角与涡破裂起始攻角的间隔进一步拉大,同时不改变升阻比     

涡升力乘波体发展研究综述

乘波飞行器在高超声速具有良好的气动性能,但偏离设计状态,气动性能则难以保持。为在宽速域范围能一直维持较好的气动性能,研究人员利用定平面形状乘波设计的优势,提出“涡升力”乘波设计。本文将涡升力乘波体的设计方法归纳为基于吻切理论的定前缘型线法、基于激波装配法的波导体法和基于给定激波面的投影法三大类,综述了涡升力乘波体在宽速域气动特性的相关研究进展,并对涡升力乘波体的后续研究提出建议。     

厚覆冰导线升力突变机理及数值模拟研究

针对新月形厚覆冰导线的升力系数在风攻角15°附近存在突变的问题,分别采用基于k-ωSST湍流模型的雷诺时均法和大涡模拟(LES)的数值方法对新月形厚覆冰导线在风攻角10°~20°范围进行了模拟。通过对比两种数值方法计算得到的覆冰导线气动力系数、流场结构和表面风压,发现LES方法能够更好地捕捉新月形覆冰导线表面的小尺度涡结构,得到的覆冰导线气动力参数计算结果与风洞试验数据高度吻合;而k-ωSST湍流模型难以模拟壁面上小尺度涡,捕捉不到升力系数的突变。根据覆冰导线不同壁面区域的压力分布,发现上侧壁面处的涡结构影响整体流场,并在下侧壁面曲率、来流夹角和壁面切线方向共同作用下导致升力系数突变。LES的气动力参数模拟结果可为覆冰导线防舞提供参考。     

增升装置微型涡流发生器数值模拟方法研究

 针对数值模拟带微型涡流发生器(VG)的增升装置绕流过程中出现的典型问题,研究相应解决途径.引入面搭接网格技术,避免传统结构网格方法造成的网格数量过大问题;在微型涡流发生器网格上采用特殊边界条件处理以分别对应有/无涡流发生器的状态,排除网格变动对计算结果造成的干扰;研发出了面搭接网格生成技术与特殊边界处理方法结合的求解加装微型涡流发生器的增升装置流动数值模拟方法.研究结果表明:该方法在处理增升装置这类复杂外形、复杂流动问题以及加装涡流发生器的流动控制问题时,具有良好的数值计算精度,能够满足研究需要,为开展涡流发生器精细设计和参数优化的数值模拟研究提供了可靠的技术途径.     

定后掠角密切锥乘波体的生成和设计方法

对定后掠角密切锥乘波体（OCWRCAS）的生成方法和考虑黏性的设计方法进行了研究。定后掠角乘波体的前缘具有特定的后掠角,能够在上表面产生稳定分离涡从而改善乘波体的气动性能。本文首先在传统密切锥乘波体生成方法的基础上给出了定后掠角密切锥乘波体的生成方法;从前缘后掠的几何特征中提取了后掠角、激波角和前缘曲线程度等设计变量,并研究了设计变量的取值范围;以遍历设计空间的思路对两类定后掠角密切锥乘波体进行了设计分析,研究了升阻比、体积效率随设计变量的变化规律,然后在设计空间内进行了多目标寻优;最后使用计算流体力学方法对定后掠角乘波体的乘波特性和涡升力特性进行了验证。结果表明,由本文生成方法得到的定后掠角密切锥乘波体具有明显的乘波特性并且能够在较高的升阻比时保证一定的体积效率;定后掠角前缘能够在一定的迎角下在上表面产生稳定的分离涡,产生涡升力。     

基于 LES 方法的增升装置气动噪声特性分析

在气动噪声数值计算中,流场的求解精度对涡流扰动的细节计算以及声学的求解结果有着重要的影响。本文应用 LES 方法对增升装置的流场进行数值模拟,采用可穿透积分面的 Ffcows Wil1iams-Hawkings(FW-H)积分方法进行远场噪声计算。采用圆柱绕流算例对本文的数值计算方法进行了验证,验证结果表明：本文所使用的LES 方法能准确地捕捉到涡脱落、流动分离等非定常流动现象,可为远场气动噪声的计算提供精确的近场流动的数值解;基于 FW-H 的声类比方法能够精确高效求解远场气动噪声。在此基础上,对增升装置噪声产生的流动特性、远场特性、风速影响等进行了数值模拟研究。结果表明：缝翼产生气动噪声的主要原因是,流动在缝翼和主翼之间的凹槽形成的不稳定波以及缝翼钝后缘的小脱落涡;襟翼产生气动噪声的主要原因是,襟翼附近由于流动分离产生的高频的小尺度不稳定涡和低频的大尺度涡。     

声激励增升效应研究

二元后台阶低速风洞实验表明,用内部声激励控制脱落旋涡能够获得有利的增升效应。实验还得出激励频率、旋涡自然脱落主频及旋涡脱落主频之间的关系;并给出了模型表面压力随声压级及频率变化的规律。本文将对二元翼型及三角翼等内部声激励的应用研究提供有价值的实验结果。     

A new non-linear vortex lattice method:Applications to wing aerodynamic optimizations

This paper presents a new non-linear formulation of the classical Vortex Lattice Method (VLM) approach for calculating the aerodynamic properties of lifting surfaces. The method accounts for the effects of viscosity, and due to its low computational cost, it represents a very good tool to perform rapid and accurate wing design and optimization procedures. The mathematical model is constructed by using two-dimensional viscous analyses of the wing span-wise sections, according to strip theory, and then coupling the strip viscous forces with the forces generated by the vortex rings distributed on the wing camber surface, calculated with a fully three-dimensional vortex lifting law. The numerical results obtained with the proposed method are validated with experimental data and show good agreement in predicting both the lift and pitching moment, as well as in predicting the wing drag. The method is applied to modifying the wing of an Unmanned Aerial System to increase its aerodynamic efficiency and to calculate the drag reductions obtained by an upper surface morphing technique for an adaptable regional aircraft wing.     

不同雷诺数下翼型气动特性及层流分离现象演化

低雷诺数下空气黏性效应突出,翼型表面普遍存在层流分离现象,相比常规雷诺数情况气动特性显著恶化。采用带预处理的Roe方法求解非定常可压缩Navier-Stokes方程的数值模拟技术和低雷诺数低湍流度风洞油流显示试验技术,对FX63-137翼型不同雷诺数下气动特性和流动结构展开深入研究。通过风洞油流显示试验可以清晰获得低雷诺数层流分离流动的两道油流汇集线。数值模拟结果表明其分别为时均化主分离线和二次分离线,两种结果定性定量均吻合较好,证明了本文的研究方法有效可靠;雷诺数从500 000降至20 000,翼型气动特性和层流分离流动结构均发生显著的变化,伴随阻力系数剧增和升力系数剧降,时均化流动结构从附体至出现经典的长层流分离泡,并最终演化为后缘层流分离泡,相应的两种分离泡的非定常流动结构也存在显著差异;对于阻力系数和升力系数而言,存在不同的临界雷诺数,因为导致阻力系数剧增的机理在于经典长层流分离泡的产生使翼型压差阻力大增,而造成升力系数剧降的主要原因在于后缘层流分离泡使得等效翼型后部弯度减小;非定常结果显示正是由于翼型表面漩涡周期性的生成与脱落,才造成了低雷诺数下升力系数的周期性波动。翼型上表面主分离涡即将脱落时,流线在后缘附近再附,升力系数达到峰值;而当流体从下表面向上卷起二次分离涡时,尾部流线大尺度分离,升力系数降至谷值。