大涵道比涡扇发动机TPS短舱低速气动特性分析

为了评估民机低速带动力试验时进排气效应的影响,选取大涵道比发动机涡轮动力模拟器(TPS)短舱和真实发动机短舱作为研究对象,采用数值模拟方法对其起飞、进近状态的低速气动特性进行对比分析。结果表明:由于TPS流量低于真实发动机需求,其唇口、外罩流场特征和真实发动机短舱有所不同,阻力特性也有差别;在进气道处于亚临界状态时,TPS短舱阻力系数比真实短舱大了约1.7个阻力单位,又由于唇口当地气流攻角更大,使得TPS短舱失速攻角相对降低了约1.0°;当进气道工作于超临界状态时,TPS短舱虽然也可以反映真实短舱的流动特性,但由于捕获流管收缩情况和气流驻点随攻角的变化,使得在0°~20°攻角时TPS短舱的阻力系数高于真实短舱,而在20°~30°攻角时其阻力系数略低,差量最大约为1.8个阻力单位。对于研究的大涵道比发动机,未经唇口及外罩修正的TPS短舱其低速气动特性基本可以反映真实进排气效应的影响,但在气动特性分析中可以考虑进一步修正进气效应的影响。     

大涵道比发动机通流短舱阻力特性修正数值研究

为准确获取大涵道比发动机气动特性,根据民用飞机研制需求,对民用干线飞机的发动机短舱三维流场进行数值模拟,对比了通流短舱和真实发动机短舱流场特征,分析了通流短舱的气动特性和阻力修正方法。结果表明:大涵道比发动机通流短舱的流场特征、气动力和真实发动机较为接近,但是由于发动机内流通道气动力一般计入推力和无法完全模拟发动机进排气效应,有必要对通流短舱进行考虑内部阻力在内的气动特性修正;通过对大涵道比发动机推阻力划分理论进行分析,获得了与真实发动机一致的通流短舱气动力分解方法,并可以较好地应用到通流短舱内部阻力修正上;通过对通流短舱阻力修正(含内阻修正和溢流阻力修正),在巡航状态下修正后的通流短舱与发动机动力短舱阻力特性差异降低了约46%;在高速巡航状态,阻力修正后的通流短舱气动特性可以更好地反映真实发动机工作的影响,但依然有必要对发动机动力喷流影响开展进一步的分析工作。     

钛合金叶片前缘的外物损伤残余应力数值分析

为研究航空发动机叶片外物损伤(FOD)位置残余应力的分布规律,根据真实叶片前缘特征设计了模拟叶片,基于Johnson-Cook本构模型,使用LS-DYNA软件仿真分析钢珠以不同角度冲击钛合金模拟叶片前缘的过程,对比仿真与相同试验条件下的空气炮模拟外物损伤试验的FOD损伤形貌与宏观尺寸,验证了有限元模型的正确性。提取仿真计算的不同入射角度对应的FOD位置残余应力分布,结果表明:钢珠以0°角入射时,钢珠冲击产生的接触力和变形能明显大于其他入射角度的情况,说明钢珠偏斜一定角度入射时造成的偏斜型缺口处的材料失效与变形不如外物正撞前缘形成的半圆型缺口严重;在FOD缺口底部尖端靠近入射表面区域存在明显的残余拉应力。随着入射角度的增大,残余拉应力区的范围逐渐扩大,残余拉应力最大值逐渐减小。     

发动机短舱对翼身组合体跨音速气动特性影响研究

为了达到增升减阻的目的,现代民用飞机设计越来越重视飞机各个部件之间的相互影响。部件之间的气动干扰影响着飞机的气动特性,合理的气动布局可以产生有利的气动干扰,获得满意的气动特性。针对民用飞机超临界机翼——翼吊式发动机短舱气动布局,通过数值模拟方法,研究了跨音速飞行时,发动机短舱对整机的气动特性影响。     

民用航空涡轮发动机短舱高速风洞试验

为了获取三种不同型面的民用航空涡轮发动机短舱气动特性,开展了高速风洞试验与数值仿真研究,获取了短舱的压力分布及内流特性,并对比分析了风洞试验数据与仿真结果。结果表明:随着流量系数减小及攻角增加,短舱上唇口外流出现分离;随着流量系数增大,短舱内流下侧出现分离;采用的CFD方法在无分离情况下静压分布与试验结果吻合,但随着流量系数的减小,CFD结果先于试验出现了气流分离。      

翼/短舱/吊架气动特性及其动力影响数值研究

应用计算流体动力学(CFD)数值模拟方法对DLR-F6模型分别在通流及动力条件下翼/短舱/吊架(W-N-P)组合体部分的气动干扰特性进行研究.结果表明:组合体相互干扰引起的干扰通道附增激波及短舱后部逆压导致的涡流增加了短舱外罩阻力,降低了机翼升力;动力条件较通流条件,F6短舱外罩阻力降低,机翼升阻力特性在零度攻角时有所提高.      

动力失效对起飞纵向气动特性影响数值研究

研究民用飞机动力失效对飞机起飞阶段纵向气动特性的影响规律及其机理,对保证飞机有效操纵和安全飞行具有重要意义.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方程的数值方法,研究发动机动力失效对某民用飞机起飞构型纵向气动特性的影响.通过DLR-F11模型验证研究方法对民用飞机高升力构型气动特性的预测能力;针对安装动力短舱的某翼吊涡扇发动机民用飞机起飞构型,通过对比其发动机在正常工况和失效时飞机气动特性的差异,得出动力失效对飞机纵向气动特性的影响规律及机理.结果表明:动力失效后,不但溢流效应会使飞机阻力系数增大;还会导致发动机进、排气特性较正常工作状态明显不同,恶化短舱附近流场,对飞机的升力、失速特性带来不利影响.     

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。     

飞机发动机短舱外形设计及数值仿真

发动机短舱对飞机的性能有着至关重要的影响。针对某型民用飞机,对其发动机短舱进行了初步参数选取和气动外形设计;并在此基础上开展了数值仿真计算。计算结果表明,设计的短舱气动外形满足设计要求,且进气道内总压恢复系数随着进气道扩散段长度的减小而增大。     

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。     

基于 CFD 和推阻分解技术的全机溢流阻力预测与分析

飞机在飞行过程中,根据性能需求,需要不断调整发动机活门流量系数,因此发动机短舱唇口的压力分布形态会发生很大变化,前方外流作用于进气道内流管上的合力也将改变,从而引起溢流阻力变化。本文基于某型号飞机,结合 CFD 动力模拟和推阻分解方法,获得不同流量系数下的溢流阻力,并分析流量系数、马赫数、高度、迎角对溢流阻力的影响。溢流阻力预测方法和影响研究可为飞机/涡扇发动机一体化设计、大涵道比短舱设计和气动力预测提供参考。     

背撑发动机进排气对翼身融合民机气动特性影响

针对翼身融合(BWB)背撑发动机布局民机的发动机与机体流动干扰问题,以项目团队研究的某BWB布局民机方案为研究对象,采用CFD方法研究了发动机进排气对全机低、高速气动特性的影响规律及其流动机理。结果表明:进排气效应主要影响飞机的高速阻力特性,随着发动机进气流量的减小,机体/短舱之间流动干扰加剧,机体零升阻力增加；进排气效应对低速状态升力和俯仰力矩的影响主要由发动机的抽吸作用对机体表面流动的干扰引起。发动机不同的进气流量会对全机的升阻力特性产生较大影响,在BWB布局机体/发动机一体化设计中,要充分考虑机体与动力装置之间的干扰影响,同时权衡不同进排气状态对机体和发动机当地流动的影响。      

发动机短舱溢流阻力的数值模拟

 为分析发动机溢流阻力的产生原因并为进气道-发动机匹配研究提供一定的技术支持,以典型的发动机短舱为研究对象,分析了短舱上的进气道阻力,并详细介绍了相应溢流阻力的数值计算方法。在对发动机短舱外流模拟时,通过引入两个和发动机参数相关的数值边界条件,即一个是定流量的发动机进气道入流边界,另一个是定总温总压的发动机喷流边界,避免了对发动机复杂内流的模拟。利用NACA-1-81-100发动机进气道作为标准算例,验证了数值方法的可行性。通过模拟发动机短舱在不同工作流量下的流动,认为发动机短舱的溢流阻力产生归因为溢流造成的发动机外表面的阻力变化,以及捕获流管变细导致的附加阻力增加。     

尾吊发动机短舱安装对机翼高速升阻特性的影响研究

尾吊式发动机短舱在全机影响下的气动设计十分复杂,其与机翼、机身、平尾等部件的气动干扰对全机的气动特性有较大影响.为了评估短舱安装对机翼高速升阻特性的影响,本文在计算流体动力学软件Fluent中对某型飞机的全机流场进行了数值模拟,着重考察了有无短舱以及短舱安装在不同位置对机翼表面流场的影响情况.计算结果表明,尾吊式发动机短舱安装将导致机翼升、阻力系数降低,但升阻比会有所提高;短舱安装越靠近机翼,机翼升、阻力系数下降越大,而升阻比越高.     

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.      

民用航空涡扇发动机短舱外部阻力试验方法研究

为了发展一种适用于大涵道比民用航空涡扇发动机短舱外部阻力的试验方法,对NACA-1系列轴对称短舱试验进行改进,并在2.4m跨声速风洞中完成了试验研究,获取了某型大涵道比民用航空涡扇发动机短舱在马赫数0.388~0.86的外部阻力,通过数值仿真与试验结果对比,验证了试验方案的可行性。结果表明,经过改进的试验方案的攻角适用范围由原方案的0°扩展致0°~4°,外部阻力随马赫数及流量系数的试验数据变化规律良好,试验结果与仿真结果吻合,试验方案适用于民用大涵道比航空涡扇发动机短舱外部阻力测量。     

CFD/CSD方法分析动力效应对民机气动特性影响

基于Reynolds average Navier-Stockes(RANS)的三维Navier-Stokes流场控制方程耦合结构静力学方程时域分析方法，研究了带有发动机的民用飞机其动力效应对全机气动性能的影响。首先采用数值方法对发动机进排气边界条件进行了模拟，分析了带动力的涡扇发动机模型的流场，并将计算结果与实验进行比较，验证边界条件处理的准确性；以此为基础，考虑结构弹性变形，采用计算流体动力学/计算结构动力学(CFD/CSD)耦合的方法，分别对通气和带动力的翼吊发动机全机的气动性能进行了研究。结果表明:基于通气构型预测的升阻力系数，气动载荷和压心位置与考虑动力效应后的计算结果存在明显不同。弹性变形又会加剧这一差异，使得全机的升阻比下降约12.6%，升力系数下降约8.9%,压心位置后移。数值算例显示，在靠近发动机区域气动载荷受动力效应影响显著，远离该区域，弹性变形效应占主要影响因素，因此在进行带动力效应的民机气动性能分析时，考虑弹性变形的影响是十分必要的。      

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。     

Adaptive-surrogate-based robust optimization of transonic natural laminar flow nacelle

Natural Laminar Flow (NLF) technology is very effective for reducing the skin friction drag of aircraft engine nacelle, but the aerodynamic performance of NLF nacelle is highly sensitive to uncertain working conditions. Therefore, it’s imperative to incorporate uncertainties into the design of NLF nacelle. In this study, for a robust optimization of NLF nacelle and for improving its efficiency, an adaptive-surrogate-based robust optimization strategy is established, which is an iterative optimization process where the surrogate model is updated to obtain the real Pareto front of multi-objective optimization problem. A case study is carried out to validate its feasibility and effectiveness. The results show that the optimization increases the favorable pressure gradient region and the volume ratio of the nacelle by increasing its lip radius and reducing its maximum diameter. And the aerodynamic robustness of the NLF nacelle is mainly determined by the lip radius, maximum diameter of nacelle and location of the maximum diameter. Compared to the initial nacelle, the optimized nacelle maintains a wide range of low drag and high laminar flow ratio in the disturbance space, which extends the average laminar flow region to 21.6% and facilitates a decrease of 1.98 counts in the average drag coefficient.