二维翼型下表面增升辅助装置仿真及设计

为提高飞翼布局飞机的可用升力系数,以B-29 TIP翼型为研究对象,基于CFD开展了翼型腹部加装扰流板以配平增升装置打开后带来的低头力矩可行性研究,获得了腹部扰流板的作用原理,总结了扰流板弦向位置、偏度及高度对翼型气动特性的影响规律,以及扰流板与翼型后缘襟翼偏转的组合状态的气动特性。研究结果表明:腹部扰流板可改变翼型下表面流场的压力分布,扰流板前正压增大,扰流板后负压增大,从而产生抬头力矩。随扰流板弦向位置的后移,抬头力矩先增后减,于60%翼型弦长位置处达到最大值,升力先减后增,于40%翼型弦长位置处达到最小值。随高度及偏角的增大,抬头力矩单调递减,升力单调递增。     

内吹式襟翼环量控制翼型升力响应特性

传统尖尾缘翼型通过控制迎角,综合利用襟翼、缝翼来改变升力,升力对迎角变化的时间响应历程可以用Wagner函数来描述,而内吹式襟翼（IBF）主要通过控制分离来拓展最大升力,并在一定范围内通过调节射流强度改变驻点位置和环量来对升力进行有效控制,其升力随吹气动量变化的时间响应尺度是否与传统尖尾缘翼型相同还不是很清楚。本文主要研究内吹式襟翼升力响应过程,并将其与传统尖后缘翼型升力响应特性进行对比。首先通过某襟翼偏角为30°的双圆弧环量控制翼型对数值方法进行验证,再对某最大厚度为18%弦长的亚声速翼型内吹式襟翼定常吹气控制下的流场进行非定常数值模拟,并分析了其中的瞬态特征。结果表明内吹式襟翼环量控制翼型对激励响应的时间依赖特征与Wagner函数有很好的相互关系,并可以用该函数来描述。     

微型后缘装置增升效率及几何参数影响研究

 为满足现代大型飞机增升装置简洁高效的设计需求,以典型三段翼型为对象,采用数值模拟研究在后缘襟翼上增加微型后缘装置(mini-TED)以提高增升装置效率的可行性;给出了微型后缘装置的作用原理,获得了微型后缘装置位置、长度、偏度等几何参数对增升和升阻性能的影响规律。研究结果表明:微型后缘装置明显改变了襟翼后缘弯度,对襟翼流动产生有利诱导作用,拓展加长了增升装置的有效"气动弦长",是一种附加气动襟翼。其几何参数设计原则是:以长度l≤1.5%c(c为干净翼型弦长)、位于95%襟翼弦向位置前较为合适;偏度则可根据起降等飞行状态进行选择。与四段及其以上增升装置相比,微型后缘装置具有增升效果显著、结构简单、附加重量小和易于工程实现等优点,是一种极具潜力的新型增升技术,具有深入的研究价值和良好的应用前景。     

仿生学翼型尾缘锯齿降噪机理

采用大涡模拟与声类比的方法研究了尾缘锯齿对翼型自噪声的影响。以SD2030翼型为研究对象,设计的尾缘锯齿幅值为10%弦长,周期为4%弦长。模拟了来流速度为31 m/s、0° 攻角下直尾缘翼型与锯齿尾缘翼型的流场,对应的基于弦长的雷诺数约为310 000。详细分析了尾缘锯齿对翼型尾缘湍流流场的影响,并通过FW-H方程计算大涡模拟提取的声源项,得到直尾缘翼型与锯齿尾缘翼型的声场。研究发现,锯齿尾缘可以明显降低翼型中低频范围内的噪声,在4 000 Hz以下,窄带噪声最多可降低约16 dB。但尾缘锯齿对翼型气动性能有着不利影响。进一步研究表明,该状态下翼型噪声主要由层流边界层引起的涡脱落噪声主导,尾缘锯齿可以抑制层流边界层引起的涡脱落现象,降低翼型升力脉动与尾缘附近的表面压力脉动,减弱尾缘处的低频湍流脉动与涡量,并有效降低尾缘附近涡的展向相关性,这些因素的综合作用使得翼型自噪声降低。     

翼型近尾迹流动的PIV研究—运动学特性

利用在线式PIV系统(ParticleImageVelocimetry),在低速风洞中对NACA0012翼型在雷诺数2.39×105,0°和4°攻角下的近尾迹流动进行了实验研究。实验结果表明,在较高的雷诺数下翼型近尾迹流动是一种以旋涡的运动学和动力学特性为主导的湍流剪切流。在测量范围内,翼型的尾缘处是近尾迹涡街的形成区;尾缘后0.5倍弦长的区域存在类似于卡门涡街的有序结构,是旋涡发展区域,旋涡具有较好的稳定性;距翼型尾缘0.5倍弦长至1倍弦长的区域,是翼型近尾迹流动由有序走向无序区域,旋涡开始破裂。翼型表面边界层对翼型近尾迹湍流剪切流的演化有重要影响。实验结果还给出了近尾迹流动的平均速度、湍流强度和剪切应变变化率,以及速度脉动量的二阶关联量u'u',u'v'和v'v' 的分布。      

改型尾缘对翼型流场影响的数值模拟

建立了NACA23012翼型后缘加装Gurney襟翼模型和高度为2%弦长的Gurney襟翼翼型的后缘表面曲率进行修改的模型,并利用FLUENT软件对其进行数值模拟,得到不同模型在不同风速,不同攻角下的空气动力学性能（Cl、Cd）以及翼型表面压力、速度、马赫数的分布等.计算结果表明：四种单纯的加装Gurney襟翼的模型中,高度为2%弦长的Gurney襟翼模型具有最高的升阻比.而与单纯加装Gurney襟翼的模型相比,修改下表面后缘曲率的模型的升阻比可提高14%左右.在0.5度攻角以下及负攻角时,与 NACA23012原型相比,各改型的升阻比都有所提高.     

翼型进行钝尾缘修改后气动性能的数值研究

对NACA4424翼型、NACA4424翼型和加装2%弦长Gurney襟翼的NACA4424翼型以及对应的尾缘厚度为2%弦长的钝尾缘翼型进行了数值计算。针对风力机应用,对应于以弦长定义的雷诺数为1.27×105到1.02×106;迎角为0-32度;计算结果表明,在研究范围内的所有工作状态下,修改后的钝尾缘翼型对流场产生了强烈的下洗作用,明显地改变了翼型压力面和吸力面的压力分布,并使翼型升力及升阻比比原翼型有显著增加;大大推迟了翼型的失速的出现,甚至直到32度时,尚未发现有失速的迹象。     

内吹式襟翼控制机理和失速特性

短距起降运输机对增升装置提出了更高要求,常规机械式增升装置已无法满足,内吹式襟翼系统是当今固定翼飞机最有效的动力增升形式.为推动该技术的工程应用,基于雷诺平均N-S方程,对某加装60°偏角无缝襟翼的亚声速翼型在环量控制作用下的流场进行数值模拟,研究了其在不同吹气动量系数下的气动特性及流动形态,分析了不同环量控制阶段增升机理、失速特性和吹气动量系数对失速特性影响规律.结果表明:内吹式襟翼增升控制效率(升力系数增量与吹气动量系数的比值)较高,在临界吹气动量系数下可达70,此时相较于无吹气状态,升力增加约125％;主翼上由于环量增加产生的升力增量是翼型升力增量的主要来源,约占总升力增量的78％;吹气动量系数增加可造成翼型气动中心后移;附面层分离控制区主要通过消除襟翼上的流动分离增加升力,超环量控制区升力的增加是由于尾缘下游的射流效应使流线进一步偏转而实现的;随吹气动量增加,附面层分离控制区的失速迎角提前,超环量控制区失速迎角略微推迟.     

翼型加装格尼襟翼的低雷诺数气动特性实验研究

为了研究低雷诺数下格尼襟翼对翼型气动特性的影响,通过风洞试验研究了Eppler387翼型加装0.5%～5.0%弦长高度格尼襟翼后的气动特性变化,试验雷诺数1.49×105～2.31×105。试验结果表明：低雷诺数下Eppler387翼型加装格尼襟翼后,升力系数和力矩系数明显增大,襟翼高度大于2%弦长时阻力系数显著增大。格尼襟翼在高升力系数下能够起到增大升阻比的作用,适用于微小型飞行器工作在大载荷状态,而0.5%弦长高度的襟翼还能够兼顾中小升力系数下的气动效率,同样适合于微小型飞行器在巡航状态使用。与原翼型相比,加装襟翼后最大升阻比对应的迎角提前,随襟翼高度的增加,翼型升阻比曲线峰值变得不再突出。     

尾缘改型对风力机翼型性能的影响研究

针对风力机工程常用翼型,采用有限元法的SIMPLE算法,对NACA4412翼型、加装2%弦长Gurney襟翼的NACA4412翼型及对应尾缘厚度为2%弦长的钝尾缘翼型进行了以来流风速为9.5m/s、攻角为0°～25°的气动性能数值计算。结果表明,改型后的钝尾缘翼型在流场中产生了强烈的下洗作用,明显改变了翼型表面的压力分布,使其升力系数、升阻比等较原型有显著改善,同时大大推迟了翼型的失速现象。通过翼型噪声机理的研究,对上述三种翼型分别采用在时间域上积分的方式进行了频谱特性的分析,气动声学研究表明,翼型噪声具有很强的指向性,改型后的翼型声级有明显降低,为低噪声风力机的优化设计和噪声预测提供了可靠的理论依据。     

航天器返回地球的气动特性综述

航天器返回地球的飞行过程中,气动特性是实现将宇宙飞行速度减到落地前速度、保证再入飞行得到有效控制以及再入防热安全可靠的关键因素。针对简单旋成体气动外形、半弹道式再入控制、烧蚀防热类返回航天器,综述了返回地球过程中变化的空气流域特性、航天器周围的气体绕流环境、空气与航天器作用产生的动力学与热效应等。系统地给出了该类航天器的再入气动特性参数与飞行性能的共性规律,包括:气动阻力与再入减速、气动升力与再入轨迹控制、配平攻角与飞行稳定性、气动加热与防热,以及再入过程中不同气动特性航天器、气象条件变化等对再入飞行性能的影响规律。为航天器开展返回飞行过程的跨流域气动性能工程研制提供设计参考。     

翼间干涉效应对蜻蜓悬停气动性能的影响

蜻蜓在悬停飞行过程中,通过控制翅膀的运动规律,进行前后翅相位差为180°的扑翼运动。为了分析两对翅膀之间的干涉效应对悬停气动性能的影响,利用计算流体力学手段对蜻蜓悬停状态的串列扑翼和单对翅扑翼进行模拟。通过对两种模式下的流场进行分析,并计算对比了悬停效率、气动力及气动功率的数据,发现了悬停状态下翼间干涉的气动效应：尾迹集中效应和来流偏折效应。尾迹集中效应可以减少翅膀附近的涡耗散和尾迹耗散,提高悬停效率;来流偏折效应可以通过减小后翅在下拍过程中的来流攻角,从而降低前缘涡的尺寸和强度,降低悬停功率。数值结果表明：在运动规律相同的情况下,与单独拍动的前翅和后翅进行的悬停相比,串列双翅悬停的效率分别提高了18.6%和25.5%,功率分别降低了4.8%和14.0%。     

求飞机结构真实腐蚀容限的原理和方法

本文通过静强度、疲劳强度和腐蚀3个学科的综合研究,分别给出飞机结构（下称机件）在静载荷作用下的应力与腐蚀损伤D的分布曲线和机件在疲劳载荷作用下的寿命与腐蚀损伤D的分布曲线。根据这两条曲线和机件使用的容限应力值及总疲劳寿命值,便可分别求出机件在静载荷作用下的腐蚀损伤容限值和机件在疲劳载荷作用下的腐蚀损伤容限值以及同一机件同时受静载荷和疲劳载荷作用的腐蚀损伤容限值。此外,本文提出了用一个腐蚀损伤容限值保证同一机件的总疲劳寿命和总日历寿命皆安全的方法,以及总疲劳寿命和总日历寿命的匹配设计和匹配使用等问题。研究结论适用于大气、海洋、土壤等环境的腐蚀机件,解决了国际机械和腐蚀领域一直未解决的一些难题。     

整体叶盘抛光技术的研究现状及发展趋势

整体叶盘的表面质量和型面精度对航空发动机的气流动力性和使用性能影响巨大,而抛光是保证整体叶盘最终表面质量及型面精度的关键技术。针对目前国外对整体叶盘抛光技术及装备的严格保密、国内整体叶盘的抛光仍然广泛采用人工打磨的现状,对整体叶盘的抛光技术研究现状及发展趋势进行归纳总结,为整体叶盘的抛光及其自动化的发展提供参考。首先,概述了整体叶盘抛光加工的必要性及其重要性,分别从整体叶盘结构特性、材料特性和曲面特性等方面分析了整体叶盘的抛光工艺,并介绍了整体叶盘抛光工艺要求。然后,就整体叶盘磨料流加工、电解加工、砂带抛光等方面概述了国内外整体叶盘抛光技术及装备的研究现状,在此基础上提出了制约整体叶盘型面抛光技术发展的关键问题及其研究内容和解决方案。最后,根据整体叶盘的技术现状及核心关键问题指出了整体叶盘抛光技术的发展趋势。     

高超声速飞行器表面温度分布与气动热耦合数值研究

针对高超声速飞行器热防护设计中的高温气体非平衡效应问题和气动热环境精确预测问题,基于流场的非平衡Navier-Stokes方程、表面的能量守恒方程和内部的热传导方程,考虑流场的非平衡效应、表面的热辐射效应、催化效应和烧蚀效应以及热防护层内部的热传导效应,建立了初步的表面温度分布与气动热的耦合计算方法,完善了高超声速飞行器气动物理流场计算软件(AEROPH_Flow)。在表面材料为碳-碳(C-C)条件下,对飞行高度为65km和飞行速度为8,10km/s的半球以及飞行高度为50km和飞行速度为8km/s的球锥模型,开展了表面温度分布与气动热的耦合计算,验证了计算方法和计算软件,分析了表面温度分布对气动热环境的影响。研究结果表明:表面温度分布对气动热的计算结果有较大影响,在气动热环境的预测中,不仅要考虑热化学非平衡效应和表面催化效应的影响,还要考虑表面温度分布的影响,最好是采用表面温度分布与气动热耦合计算的方法,以减小表面温度分布对气动热计算结果的影响。为此,需要发展完善非平衡流场/表面催化和烧蚀/热传导温度场(气/表/固)的计算模型、耦合求解技术和计算软件,实现对高超声速飞行器的真实飞行条件下高温气体非平衡效应和气动热环境的精确模拟。     

飞机拦阻钩碰撞动力学和拦阻钩纵向阻尼器性能

 在考虑舰载机降落平台纵摇和横摇的基础上,建立了飞机拦阻钩六自由度碰撞反弹模型,得到了拦阻钩接触道面后反弹的动力学性能。分析了航母纵摇和横摇下拦阻钩碰撞反弹成因,并分别考虑了纵摇角和横摇角对拦阻钩反弹角速度及机身与道面给予拦阻钩碰撞冲量的影响;研究了拦阻钩碰撞后的反弹位移,在考虑拦阻索能顺利上钩的前提下,分析了拦阻钩纵向阻尼器的缓冲阻尼特性。结果表明：因航母横摇,碰撞后拦阻钩出现了左右的反转角速度及碰撞冲量;拦阻钩反弹后在自身重力作用下不能使拦阻索顺利上钩,在加入纵向阻尼器情况下,拦阻钩第1次反弹高度及回落时间均满足拦阻索上钩的条件。     

航天器电缆网快速协同设计方法及关键技术

以航天器电缆网传统研制模式的局限性为出发点,提出了电缆网全息模型的概念及其通用模型体系,实现了包含全要素设计信息的完整产品数字化定义;基于先"修路"后布线的设计理念,系统地提出了导航式电缆网快速协同设计方法及其相关算法,建立了航天器整器级统一的电缆网络通道"地图",有效增强了电缆网的顶层设计,减少了每束电缆并行设计时路径统筹规划不够和走向不优化的问题;构建了电缆网机电一体化协同模式和面向研制全周期的一体化业务流程,建立了跨型号跨专业的通用模型库、参数库、算法与规则库,完善了电缆网系统级设计和底层数据模型,实现了不同专业间的并行协同;开发了导航式电缆网快速协同设计系统,实现了基于参数驱动的复杂电缆网快速三维布线,提升了设计效率效益,并在以空间站为代表的载人航天型号中开展了应用,为复杂电缆网的研制提供了一种有效方法和手段。     

Combined and interactive effects of interference fit and preloads on composite joints

The combined and interactive effects of the bolt-hole fit conditions and the preloads of the fasteners on the load carrying capacity of single-lap composite-to-titanium bolted joints have been investigated both experimentally and numerically. Quasi-static tests of the hybrid joints with different fit conditions are implemented, and a three dimensional finite element progressive failure analysis model is proposed to predict the influences of the bolt-hole fit conditions and fastener＇s pre- loads on the mechanical behaviors of the joints. Based on the experimental validated simulation method, a multi-factor, mixed levels orthogonal design table and the analysis of variance method are used to arrange the simulation conditions and to further study the interactive effects of preloads and fit conditions. Through the analysis of the results, for the researched double bolt, single-lap composite-titanium joints, it is found that： the effects of both the interference fit and the preloads change from positive into negative mode with the increase of the interference fit values or preload values; appropriate bolt-hole fit conditions and preloads can improve the bolt-hole contact conditions of the loaded joints, and then retard the fiber failures around the fastener holes, and increase the load carrying capacity of the joints eventually; the interactive effect of the bolt-hole interference fit conditions and preloads cannot be ignored and the parameters need to be considered together and synthetically as the joints are being optimized.     

新型硅微机械谐振器的设计

从理论上分析谐振器的静电制动特性和机械力学特性,给出了活动梳齿的谐振频率和谐振振幅的解析解,提供谐振器结构设计的依据.设计了四种结构形式的谐振器,充分考虑不同静电激励方式对谐振器的影响,合理选取结构参数,有效提高了谐振器抑制侧向失稳和粘附效应的能力.借助有限元软件在考虑硅微加工特性和可行性的基础上对谐振器模态和固有频率的仿真和计算,优化了谐振器结构参数,使工作模态远离其他高阶模态,具有良好的频率特性.     

舰载运输类飞机副翼飞行载荷设计

舰载运输类飞机布局紧凑，副翼兼备增加升力（襟副翼）、提供滚转力矩等作用。根据CCAR-25增升装置和滚转情况的设计准则，并考虑机舰适配性要求，研究了某舰载运输类螺旋桨飞机的襟副翼和副翼飞行载荷设计方法。通过机动仿真获得襟副翼、副翼典型载荷情况，通过面元法获得不同动力影响下的气动特性数据和压力分布数据，结合理论方法与工程需要，计算、筛选出襟副翼和副翼的载荷边界作为其设计载荷。研究结果表明，算例飞机的襟副翼和副翼飞行载荷受滑流影响较小；襟副翼在各个设计空速的迎面突风情况下获得设计载荷；副翼在设计俯冲速度的最大可用偏度情况下获得设计载荷。