基于修正面元法的机翼焦点位置变化研究

针对静气动弹性问题中机翼焦点位置求解精度与效率的矛盾,提出采用分段斜率修正面元法来计算气动力,该方法以刚体机翼在不同迎角下的CFD数据作为修正基础,对弹性变形后的机翼下洗采用分段修正,克服了传统面元法无法考虑非线性因素的缺点。通过M6机翼气动焦点位置的计算表明:相对于CFD方法,该方法保持了较高的准确度并且计算效率较高;相对于传统面元法,该方法能够准确地计算焦点位置和弹性机翼焦点位置变化量,适用于工程设计。     

基于非定常面元/黏性涡粒子混合法的旋翼/平尾非定常气动干扰

旋翼/平尾非定常气动干扰是导致直升机纵向“抬头（Pitch-up）”现象的主要原因。为在直升机设计阶段准确分析旋翼/平尾非定常气动干扰以及由此引起的低速纵向操纵特性变化,通过涡量等效原则和Neumann物面边界条件建立了适用于旋翼/平尾气动干扰分析的非定常面元/黏性涡粒子混合法。该方法耦合了考虑尾迹时变效应的非定常面元法、黏性涡粒子法及涡量镜面法,以准确模拟旋翼和平尾的非定常气动载荷、旋翼尾迹的非定常特性以及旋翼尾迹对平尾的气动干扰效应。首先通过计算NASA ROBIN（Rotor Body Interaction）旋翼尾迹几何和诱导速度分布,并与实验测量值、时间精确自由尾迹及CFD计算结果对比验证方法的准确性。相比于时间精确自由尾迹,本文方法计算精度更高。随后分析了旋翼/平尾非定常气动干扰对平尾向下气动载荷和气动导数的影响,并分析了平尾构型对旋翼/平尾非定常气动干扰的影响规律。分析表明：旋翼尾迹与平尾干扰导致低速状态的平尾载荷突增,气动导数反号;低平尾气动载荷突增较大,高平尾较小,但高速气动导数反号;前置平尾载荷突增量减小,但对应速度范围较宽;右旋直升机右平尾载荷突增量较小,但气动导数特性基本不变。     

直升机机身、平尾、垂尾的气动干扰

运用面元法模拟直升机机身流场,计算前飞状态的ROBIN(rotor body interaction)模型孤立机身顶部中线的压力系数分布,并与参考数据、CFD计算结果对比,验证了本方法的准确性.采用离散涡系模拟平尾、垂尾和短翼等升力面,以带短翼的UH-60直升机为例,研究了升力面参数变化对机身、平尾、垂尾气动干扰的影响.结果表明:改变升力面的安装角显著改变了气流对其周围的绕流情况,在参数中影响最大;平尾参数尤其是安装角会对垂尾和短翼的压力系数产生较大影响;减小垂尾展长和增大短翼安装角会提升各自的压力系数.     

多控制面对前掠翼静气动弹性响应影响数值研究

针对多控制面对弹性前掠翼静气弹响应的影响,提出了基于计算流体力学/计算结构力学的松耦合静气动弹性数值计算方法。计算和分析了亚声速条件下前、后缘控制面联合偏转对前掠翼模型的气动特性和弹性变形特性的影响。计算结果表明,前、后缘控制面联合偏转时,后缘控制面对前掠翼气动特性和弹性变形特性的影响占主导地位,弹性前掠翼的气动特性和弹性变形特性均得到提高。     

基于CFD和CSM耦合的通用静气弹分析方法

提出了一种适用于有限元精细化建模的流固耦合插值点选择方法,通过RBF(径向基函数)方法实现流固耦合面的数据交换,实现了基于CFD/CSM(computational fluid dynamics/computational structural mechanics)耦合的通用非线性静气弹分析方法。以HIRENASD(high Reynolds number aero-structural dynamics)风洞试验模型为验证对象,数值结果很好地与风洞试验结构变形、气动压力分布吻合,验证了所发展非线性CFD/CSM耦合静气弹求解器的精度。详细研究了HIRENASD模型在大迎角(AOA)流动下的静气动弹性特性,以及该模型弹性变形对机翼气动特性影响规律。研究表明:HIRENASD弹性模型变形后其升力小于刚性模型;在小迎角范围内刚性、弹性模型升力差随迎角增大呈线性增长;当迎角大于4°后,升力差先减小后基本保持不变,呈非线性关系。      

基于非线性气动力的飞机飞行载荷计算

为了研究气动力非线性对飞机静气动弹性特性及飞行载荷的影响,发展了一种基于非线性气动力的飞机静气弹及飞行载荷计算方法。通过引入CFD计算结果,实现对线性方法中的气动力影响系数矩阵的非线性修正,采用模态法求解静气弹配平方程得到飞机非线性的气弹变形及飞行载荷。以某翼身组合体构型为计算算例,分别针对刚性模型和柔性模型,基于非线性气动力完成了飞机静气动弹性分析及载荷计算,并与线性结果进行了对比分析。结果表明,非线性方法可对大迎角范围内飞机静气弹变形及飞行载荷做出较合理的预测。     

翼梢装置对某机翼气动弹性行为影响研究

以大客某方案机翼为基本翼,通过数值模拟的方法研究了翼梢装置对机翼气动弹性特性影响,包括静气动弹性及颤振特性。其中通过CFD/CSD弱耦合求解的方法研究其静气动弹性响应,气动力计算采用面元法,结构响应计算采用结构有限元法,通过插值实现翼面气动力与有限元节点力之间的传递,以及有限元模型与气动网格之间的变形传递。对基本翼及带翼梢装置机翼静力学有限元模型局部修改得到动力学模型,应用MSC NASTRAN进行颤振特性分析。研究发现翼梢装置使得机翼的气动弹性特性不同程度均有降低,而不同翼梢装置对其影响又有所不同,可见,翼梢装置的设计在追求气动特性改善的同时必须关注其带来的结构特性的损失。     

增程制导航弹绕流场数值模拟

研究某增程制导航弹绕流场的结构,为气动特性分析和外形改进提供依据。以三维N-S方程为主控方程,引入S-A一方程湍流模型,对某增程制导航弹的绕流场进行了数值模拟,给出了流场图像和气动特性计算结果,并将CFD计算结果与试验结果进行了比较分析。CFD计算结果与试验结果吻合良好,验证了所采用CFD方法的准确性和有效性,数值模拟结果已得到应用。     

基于多控制面的二元机翼扭转变形抑制研究

针对前掠机翼的扭转发散,以加装前、后缘控制面且刚心靠后的二元机翼为模型,基于CFD/CSD松耦合静气弹数值计算方法,提出了一种基于多控制面的二元机翼扭转变形抑制方法。计算结果表明,前缘控制面单独上偏时,气动特性较差,扭转变形特性较好;后缘控制面单独下偏时,气动特性较好,扭转变形特性较差;前、后缘控制面联合偏转时,融合了两者单独偏转时各自的优势,在尽量减少气动性能损失的基础上降低了扭转变形峰值。该研究可为多控制面在前掠翼扭转发散主动抑制中的应用提供参考。     

一种考虑静气动弹性的气动特性修正方法

基于CAE-DNW correlation workshop 提供的两个数模构型———标准构型CAE-AVM Base与CAE-AVM DZ构型进行研究。 CAE-AVM DZ构型是CAE-AVM Base构型在风洞试验时产生静气弹形变后的真实构型。采用SST湍流模型,预测CAE -AVM Base构型与构型CAE-AVM DZ的流动状态,分析流动现象,并研究风洞实验中气弹变形干扰下气动数据修正方法。与试验数据对比,验证计算状态,并对气弹数据修正进行进一步的改进,得到一套适用于关联CFD结果和风洞试验结果的数据修正方法,即在同升力系数下进行数据的关联修正。     

三维机翼的静气动弹性特性数值模拟研究

发展了一种计算流体动力学（CFD）和计算结构动力学（CSD）的耦合计算方法,对三维机翼的静气动弹性进行了数值模拟研究。采用三维欧拉方程为控制方程基于直角网格计算气动力,并耦合结构静平衡方程进行静气动弹性数值模拟,设计了CFD/CSD耦合计算的数据交换的方式。以M6机翼作为算例,进行了机翼静气动弹性的数值模拟,计算结果表明所发展的三维机翼静气动弹性数值模拟方法是合理可行的,并可作为机翼结构优化设计和考虑结构弹性变形影响的气动外形优化设计的基础。     

静气弹中非线性气动力建模方法与分析

大展弦比低雷诺数气动布局容易较早出现气流分离,会带来明显的非线性气动力问题。针对此类布局提出了一种建立基于Kriging插值的非线性压力系数分布模型的方法。从Navier-Stokes方程计算的不同状态下飞机的压力系数中提取不同坐标的系数。利用Kriging插值函数建立CFD压力系数对迎角导数的响应面,将插值结果代入偶极子网格法(Double-Lattice Method,DLM)修正其线性方法。利用无限板样条(IPS)方法进行气动结构耦合,实现了有限元结构的非线性气弹响应分析。算例结果验证了方法对于静气弹分析的有效性,同时能准确地反映弹性带来的气动效率的降低和非线性力矩特征。     

直升机机身大角度气动特性计算与试验相关性研究

计算直升机大角度飞行状态的飞行性能、品质和载荷需要大迎角和大侧滑角的机身气动特性数据作为设计输入,在直升机研制过程中,这些数据通常采用风洞试验和CFD计算的方法来获得。为了研究上述两种方法得到的气动特性数据之间的相关性,采用CFD方法计算了3种不同构型的直升机机身大角度状态的气动特性,并与风洞试验结果进行了对比分析。分析结果表明,CFD计算得到的大角度状态气动特性结果变化趋势与风洞试验结果一致,两者的差值在部分迎角或侧滑角时比较大,而两者的比值基本不随迎角或侧滑角的变化而变化。研究结果可为大角度状态气动特性CFD计算结果修正和CFD计算方法在直升机研制中的应用提供参考。     

飞翼布局高速风洞尾支干扰试验修正技术研究

飞翼布局飞行器模型往往具有尾部扁平的结构特点,进行高速风洞尾支测力时,尾部需要局部放大,由此带来尾部畸变和尾支杆的气动干扰,直接影响对巡航效率、焦点位置以及配平迎角的预测;另外,飞翼布局飞机为改善隐身特性,取消了平尾和垂尾,侧力和偏航力矩量级比较小,模型尾部的局部变形必然会对飞机横、航向试验数据带来不利影响。本文针对某飞翼布局模型,采用风洞试验和 CFD 数值模拟相结合的手段,通过腹支撑作为辅助支撑的“两步法”获得了尾部畸变及尾支杆的纵、横向支撑干扰影响。研究结果表明：该飞翼布局模型尾部畸变支撑纵、横向支撑干扰修正结果合理、可靠,精准度较高;所建立的试验与 CFD 相结合的研究方法可以用于类似布局的试验数据修正。同时,发展的数值计算方法与风洞试验有很好的一致性,已成功应用于某飞翼布局模型尾部支撑干扰修正,已具备工程使用价值。     

第二代低阶面元法耦合自由尾迹计算旋翼桨叶气动载荷

采用第二代低阶面元法耦合自由尾迹预估修正法计算旋翼在轴流状态下的气动载荷。在计算中考虑桨叶的三维几何特性,采用矩形、三角形单位平面重构桨叶几何外形;桨叶尾迹采用全展尾迹,其中包括三圈自由尾迹(近尾迹)和四圈远尾迹;并利用桨叶翼型风洞试验数据对气动载荷进行粘性修正。通过和CFD方法进行对比分析,证明了所采用的计算方法的优点。     

微型扑翼飞行器非定常运动对平尾的影响

以西北工业大学自行研制的微型扑翼飞行器ASN211为研究对象,利用其简化的二维扑翼及平尾串列翼模型进行了非定常数值模拟,分析了扑翼俯仰运动及沉浮运动对平尾气动性能的影响。在数值模拟模块中,模型的俯仰运动及沉浮运动由动网格技术实现。通过计算流体力学(CFD)软件Fluent对此非定常流场进行数值计算,重点研究了扑翼非定常运动尾流对平尾气动效率的影响。定常状态与非定常时均条件下平尾升力曲线的对比分析表明,扑翼的非定常运动能够增大平尾的失速迎角及最大升力系数,因而使平尾的失速特性得到改善。     

飞翼布局翼身融合特性研究

提出了融合度描述方法,通过建立统一的表面面元模型分析计算融合对气动特性和隐身特性的影响。采用响应面方法对基于几何模型的面元法计算结果进行修正,给出了最大升阻比和平均雷达散射截面积与融合度的关系曲线,为气动隐身一体化的翼身融合设计提供依据。     

操纵策略对高速直升机前飞性能的影响分析

针对共轴刚性旋翼高速直升机的操纵冗余问题，开展基于旋翼/推力桨气动力分配的操纵策略研究，并分析其对飞行性能的影响。首先，基于动量-叶素理论与尾迹叠加模型发展了共轴刚性旋翼和推力桨的气动模型，并采用动量源方法建立计入旋翼干扰的机身气动力CFD计算模型。其次，根据所建立的各部件气动载荷求解方法，构建高速前飞状态全机操纵与姿态配平方法。最后，分析旋翼/推力桨不同气动力分配的操纵策略对高速直升机飞行性能的影响规律。研究发现，直升机在巡航高度高速飞行时，旋翼提供部分牵引力可以有效增大高速直升机的最大前飞速度，而操纵策略改变对斜爬升率影响不大。     

直升机气动干扰实验研究

本文介绍了一个模型直升机气动干扰实验研究的概况,给出了有和没有旋翼时平尾法向力时均值的比较。旋翼拉力系数对平尾法向力时均值的影响,平尾法向力的时间历程等。通过平尾法向力计算结果与实验结果的比较,说明在低风速时的平尾法向力计算中考虑旋翼下洗对动压的影响是重要的。     

三翼面飞机前／后操纵面协调偏转对飞行载荷的影响

基于静气动弹性分析方法，对三翼面布局飞机进行飞行载荷分析，研究了平尾升降舵和前翼操纵面协调偏转关系的变化和动压变化，对配平关系和气动面载荷分布的影响。结果表明：平尾升降舵和前翼操纵面协调偏转关系对于配平和前翼、平尾的载荷分布有重要影响，在开展这类飞机的气动性能和结构强度设计时，有必要通过特殊方法（如优化方法）对协调偏转关系进行综合设计。