多段翼型非定常地面效应数值模拟

发展了一种多段翼型着陆、起飞过程中非定常地面效应的数值模拟方法。针对着陆过程中翼型大位移运动问题,提出尽量保持翼型周围和尾迹区域网格随翼型做刚体运动的动网格策略,并采用一种简单的网格重构方法以保证翼型在整个下降过程中具有合理的网格分布。进一步建立起多段翼型非定常地面效应N-S方程计算方法,可应用于起降过程中多段翼型考虑非定常地面效应的实时数值模拟。NACA0012翼型和GAW-(1)两段翼型匀速下降过程的非定常升力计算结果均和相应准定常状态(下降速度折合为来流迎角)相吻合,说明了方法有效性。GAW-(1)两段翼型非定常和下降速度折合迎角加至翼型的准定常计算比较表明:多段翼型升力均随离地高度减小而降低,而非定常地面效应的影响随着离地高度的减小先小于准定常地面效应,而后有所增大。     

三维多段机翼地面效应数值模拟

 通过数值模拟方法研究多段机翼的地面效应,采用有限体积法求解质量加权平均Navier-Stokes方程,湍流模型选用Spalart-Allmaras模型,利用运动壁面边界模拟地面的相对运动。计算结果分析表明:随着飞行高度的降低,多段机翼的升力、阻力和低头力矩均减小;迎角、展弦比越大,地面效应越明显,升力损失越大;升力的减小主要是由于地面效应导致机翼下方静压增大的气流通过缝隙进入机翼上表面流场,使得机翼下翼面压力的增加量小于上翼面吸力的减小量;地面效应使机翼上翼面翼尖容易发生分离;翼尖涡沿着展向方向向外移动,机翼诱导阻力减小。该文研究结果可以为大型飞机的增升装置地面效应设计提供参考依据。     

定常吹气对无缝襟翼翼型地面效应影响的数值模拟

随着对生产成本、性能和可靠性、环境要求的不断提高,未来运输类飞机的发展趋势是具有更大的载重、更短的起降距离、更低的污染排放和噪声,因此迫切需要采用更高效和简单的增升和控制技术,而采用狭缝吹气的主动流动控制增强升力的方式已经被证明是最值得研究推广的应用技术之一。而在分析飞机起降性能时,必须要考虑到地面效应的影响,因此有必要对采用吹气进行增升的翼型地面效应进行研究。通过数值模拟方法研究了定常吹气对某无缝襟翼翼型地面效应的影响,研究表明,近地面在襟翼前缘施加吹气控制后,与远地面施加定常吹气控制相比,翼型升力线斜率和升力明显降低;小迎角下,动量系数为0.005时,升力随着距地高度的减小先减小后增加,动量系数增加到0.01后,升力随着距地高度的减小而减小;无缝襟翼翼型在不同动量系数和不同距地高度时出现的不同程度升力减小的现象,能直接影响飞机的起降性能,是采用吹气控制进行增升设计时必须考虑的因素。     

激励方式对多段翼型升力特性影响的实验研究

缝道流动参数对多段翼型气动特性非常重要。通常采用改变翼型外形、缝道几何参数组合以及流动主／被动控制来改变缝道流动参数,提高多段翼型的气动性能。在不同的声激励方式下,通过风洞实验的方法研究多段翼型升力特性变化的规律,以探索提高增升效果的新途径。采用NF-3风洞实验,着重研究声源在模型表面的位置及排列方式对翼型升力特性影响的规律,包括单点激励、单排多点激励、多排多点激励、M型多点激励等四种不同的激励方式。结果表明：在GAW一1两段翼型的襟翼上表面加入弱声激励,翼型的升力系数有了一定变化;不同的激励方式对翼型升力系数的影响不同;在研究范围内,单点声激励使翼型的升力系数减小,M型多点声激励使翼型的升力系数少量增加。     

不同声激励方式对多段翼型升力特性的影响

缝道流动参数对多段翼型气动特性非常重要.通常采用改变翼型外形、缝道几何参数组合以及流动主/被动控制来改变缝道流动参数,提高多段翼型的气动性能.在不同的声激励方式下,通过风洞实验的方法研究多段翼型升力特性变化的规律,以探索提高增升效果的新途径.采用NF-3风洞实验,着重研究声源在模型表面的位置及排列方式对翼型升力特性影响的规律,包括单点激励、单排多点激励、多排多点激励、M型多点激励等四种不同的激励方式.结果表明:在GAW-1两段翼型的襟翼上表面加入弱声激励,翼型的升力系数有了一定变化;不同的激励方式对翼型升力系数的影响不同;在研究范围内,单点声激励使翼型的升力系数减小,M型多点声激励使翼型的升力系数少量增加.     

气动悬浮列车单向翼翼型优化与地面效应分析

高速气动悬浮列车(Aero-train)是一种利用机翼地面效应原理的创新型高效高速低能耗高速列车。本文以LA203A为基础翼型,利用遗传算法与数值模拟的方法对基础翼型进行气动优化设计。通过对优化翼型的地面效应模拟分析,得出优化后的翼型其气动特性有明显改善,并由此得出气动悬浮列车单向翼离地间隙、迎角与阻力、升力、升阻比之间的关系。利用CFD技术对安装有基础机翼和优化后机翼的气动悬浮列车初始研究模型(AERO-1)整车气动特性进行数值模拟以及分析前后端机翼的流场特性,并利用风洞实验方法对装有优化机翼的气动悬浮列车初始研究模型(AERO-1)气动特性进行研究。利用遗传算法优化后机翼翼型升阻比特性较基础翼型最高提升26%,具备优化机翼的气动悬浮列车(AERO-1)在地面效应下的气动特性优于原始模型。本文研究为机翼地面效应分析以及气动悬浮列车研究提供理论依据。     

Gurney Flap绕流气动特性研究

采用C-H型多块结构网格和SST k-ω湍流模型求解二维定常雷诺平均NS方程,对NACA4412单段翼型后缘附近和NACA63(2)-215B多段翼型襟翼后缘附近的Gurney Flap绕流进行了数值模拟。讨论了局部网格对计算结果的影响,重点研究了Gurney Flap位置和高度对气动特性的影响。计算结果表明:对于NACA4412单段翼型,Gurney Flap位置对气动性能的影响较小,但随着高度的增加,零升攻角和失速攻角减小,最大升力系数增大,同时阻力系数和力矩系数增加;对于NACA63(2)-215B多段翼型,Gurney Flap对气动性能的影响类似于NACA4412单段翼型情形。     

基于前缘缝翼微型后缘装置的多段翼型被动流动控制

以麦道航空公司的三段增升构型为研究模型,采用剪切应力输运(SST)k-ω湍流模型在C-H型多块结构网格上求解二维非定常雷诺平均Navier-Stokes方程,研究了前缘缝翼微型后缘装置(MTED)在多段翼型被动流动控制中的应用。由于MTED改变了实际的缝翼缝道参数,因此首先研究了作为主要改变量的缝道宽度对该三段翼型气动性能的影响,当缝道宽度从参考构型的2.95%c增加至3.98%c时,最大总升力系数约减小4.61%。当在不同缝道宽度基本构型上增加相同MTED时,计算结果表明它对各个翼段的影响定性一致,即前缘缝翼升力增加、主翼升力减小以及后缘襟翼升力基本不变化。这些升力变化的综合作用是:MTED构型线性段总升力系数的变化不大,失速段的变化取决于缝道宽度,当缝道宽度为3.98%c时,高度为0.50%c的MTED构型的最大总升力系数约增加6.98%。     

NACA4412翼型低速绕流数值计算中湍流模型对比

使用Spalart-Allmaras(S-A)、SSTk-ω、Gao-Yong 3种湍流模型对NACA4412翼型低速绕流进行了数值计算,研究了尾迹流动松弛效应。对流项采用Roe格式离散,扩散项采用二阶中心格式离散,离散后的控制方程用多步Runge-Kutta显示时间推进法求解。计算中对翼型尾缘流松弛效应进行了分析,比较了翼型表面压力系数、速度剖面、雷诺应力等的分布,3种湍流模型总体上能够较好地模拟NACA4412翼型低速绕流。SSTk-ω模型对流动细节及升力系数计算最好,Gao-Yong模型对翼型平均速度剖面及雷诺剪切应力分布计算最准确。     

基于N-S方程的非定常地面效应研究

研究了二维翼型在移动地面和固定地面条件下的地面效应及流动特性问题.流场求解采用雷诺平均N-S方程,湍流模型采用k-ω和SST模型.对NACA0015对称翼型在离地速度为1 m/s情况下的非定常绕流进行了计算,选取移动地面条件下不同高度的定常解与非定常计算结果进行了比较.结果表明,考虑非定常效应时升力和阻力的变化明显小于定常解的结果,相对而言力矩的差别较小,固定地面条件下的升力系数和阻力系数略大于移动地面条件下的计算结果.     

民用飞机增升构型前缘下垂参数影响分析

采用计算流体力学方法,针对基于典型二维多段翼型NACA0410设计的带前缘下垂构型的多段翼型进行数值模拟,研究了前缘下垂四种参数对多段翼升力特性的影响。在所研究的范围内,结果表明:1)在线性段,弦长增加与偏度增大对线性升力均有负面影响,但转轴高度与尾缘夹角对线性升力几乎没有影响;2)在近失速及失速段,弦长增加与尾缘夹角的提升,可明显提升升力;下垂偏度增加,以26°为界,小于该角度可提升升力,但大于该角度后,影响不再明显;随转轴高度下降,升力出现一定提升,但到2 mm后反而有所下降;前缘下垂尾缘夹角增大,可提升近失速段升力;3)四参数对升力影响主要体现在头部两段吸力峰的消长,设计中需综合考虑吸力峰特征,并加以应用。     

多段翼型优化设计计算

 目标函数计算失真和选择合适的间接目标函数以减少机时是多段翼型优化计算要解决的关键问题。通过大量分析计算,对上述问题提出了下述解决办法:限制汇流强度使翼段间缝隙不过分狭窄,以解决目标函数计算失真问题。前缘缝翼优化时,用主翼面上的分离点位置作为间接目标函数;对后缘襟翼则分别以翼型升力值和分离点位置作为间接目标函数,进行优化计算。在间接目标函数优化的基础上再用最大升力系数为目标函数作少量验算即可获得可信的优化结果。实践证明这样可节省大量机时。     

Gurney flap—Lift enhancement,mechanisms and applications

Since its invention by a race car driver Dan Gurney in 1960s, the Gurney flap has been used to enhance the aerodynamics performance of subsonic and supercritical airfoils, high-lift devices and delta wings. In order to take stock of recent research and development of Gurney flap, we have carried out a review of the characteristics and mechanisms of lift enhancement by the Gurney flap and its applications. Optimum design of the Gurney flap is also summarized in this paper. For the Gurney flap to be effective, it should be mounted at the trailing edge perpendicular to the chord line of airfoil or wing. The flap height must be of the order of local boundary layer thickness. For subsonic airfoils, an additional Gurney flap increases the pressure on the upstream surface of the Gurney flap, which increases the total pressure of the lower surface. At the same time, a long wake downstream of the flap containing a pair of counter-rotating vortices can delay or eliminate the flow separation near the trailing edge on the upper surface. Correspondingly, the total suction on the airfoil is increased. For supercritical airfoils, the lift enhancement of the Gurney flap mainly comes from its ability to shift the shock on the upper surface in the downstream. Applications of the Gurney flap to modern aircraft design are also discussed in this review.     

低速两段翼型的数值模拟

在多段翼型风洞实验中,很难观察翼型不同迎角下主翼、襟翼上的绕流及缝道流动。使用了O-H型混合的结构化网格,采用k-ε二方程湍流模型求解可压的N—S方程来模拟二元风洞中两段翼型的流场。计算结果与实验进行了比较,结果表明：计算与实验结果吻合良好,说明本方法可以较好地模拟两段翼型的绕流,并能很好地显示流场的变化情况。另外,从结果中可以看出：随着迎角的变化,主翼尾流和缝道间的流动对襟翼附面层分离有很大的影响作用。     

分离流中多段翼型的优化计算

 本文给出带有分离流动的多段冀型的优化计算方法。以最大升力系数为目标函数,对前缘缝翼或襟翼的位置和偏角进行优化。文中对带有后缘富勒式襟翼的NLR 7301翼型和GA(W)-1翼型进行最大升力计算和优化计算,所得结果和实验值相比符合得较好。     

后缘连续变弯度对跨声速翼型气动特性的影响

针对后缘连续变弯度对跨声速翼型气动特性的影响进行了研究。首先不考虑翼型后缘连续变弯度,基于搭建的优化设计系统对跨声速翼型进行气动减阻优化设计,通过添加不同的约束优化得到两种跨声速翼型:无激波翼型和超临界翼型。然后在这两种翼型的基础上,以后缘偏转角度为设计变量、以阻力系数最小为目标,针对不同的升力系数分别进行优化设计,并根据优化结果深入分析后缘连续变弯度对这两种翼型极曲线特性的影响机理。优化结果表明:无激波翼型与超临界翼型相比,其设计点处的气动特性较好,但鲁棒性较差;升力系数小于设计升力系数时,应用后缘连续变弯度后,无激波翼型的极曲线特性明显提高,减阻最高达到3.9%,而超临界翼型的极曲线特性提高不明显;升力系数大于设计升力系数时,应用后缘连续变弯度后,无激波翼型和超临界翼型的极曲线特性都明显提高,减阻分别达到2.4%~18.1%和1.7%~13.2%。     

低雷诺数下螺旋桨翼型非定常气动性能的比较

为得到适用于平流层螺旋桨桨叶叶素的翼型,采用数值方法,通过改变气流速度和攻角,比较研究了低雷诺数下8种典型翼型的非定常气动性能.结果显示,大攻角工况下翼型容易发生流动分离现象,翼型吸力面的分离越严重,气动力的振荡幅度越大.通过比较不同攻角和不同速度下翼型的升阻比大小和气动稳定性得出,SD 8000 - PT翼型具有较高的升阻比和较稳定的气动力,适合作为螺旋桨的翼型.     

遗传算法结合神经网络的多段翼型优化设计研究

为提高多段翼型增升效能,开展包括襟／缝翼偏度和缝道参数在内的优化设计研究。将神经网络与遗传算法结合的优化设计方法应用于气动优化设计,并针对30P30N三段翼型,分别以8°迎角时升阻比最大和22°迎角时升力最大为目标进行了单目标和多目标优化设计研究。研究结果表明：采用单目标设计虽可在设计点获得较好的优化结果,但在非设计状态气动性能下降;采用多目标优化设计,既可获得良好的中等迎角升阻性能,又可改善大迎角失速性能,使综合气动性能更优;遗传算法与神经网络结合的优化设计方法可满足多段翼型的多点优化设计问题,具有高效、高精度等优点,易于工程应用。