伸缩机翼变体飞机气动特性研究

伸缩机翼变体飞机通过机翼伸缩调整机翼展长,从而改变机翼面积和展弦比,改变飞机的气动布局和机翼的气动特性,满足多任务点的设计要求。简要介绍伸缩机翼变体飞机的发展历史,重点研究一种采用伸缩机翼设计的超音速飞机的气动特性变化。研究结果表明：亚音速时机翼展长伸长,展弦比增大,飞机诱导阻力降低,升阻比提高,可以明显提高飞机的航程;超音速时机翼展长缩短,展弦比减小,飞机的波阻降低,升阻比增大,提高了超音速飞行性能。伸缩机翼概念用于超音速飞机设计时能很好地兼顾亚音速巡航和超音速冲刺。     

亚跨超音速喷管内流场的整体矢通量分裂算法

从N－S方程出发，采用先进的矢通量分裂算法，对亚跨超音速喷管内流场进行了整体模拟计算。文中对几种不同计算格式的计算效率进行了比较，给出了超音速占优混合流动的直接分割求解方法。计算采用代数湍流模型，跨音速段的计算结果同其它实验和计算结果进行了比较。计算中发现对出口边界条件进行亚音速、超音速和有回流分别处理很有必要；边界层内的M数沿壁面法向变化非常快；不同壁温条件和不同的流动Re数均会改变边界层的厚度。     

计算跨音速三维机翼非定常载荷的核函数法

 本文给出了在跨音速流动中,计算三维机翼非定常载荷分布的核函数法和计算结果。此方法是基于线化升力面理论,利用在亚、超音速情况下,联系载荷分布与下洗的积分方程的核函数,采用局部线化法来处理跨音速的非定常绕流问题。在计算中引进了线分布的冲波偶极子,并嵌入适当的正冲波边界条件。 我们从统一的超、亚音速核函数表达式出发,对亚音速区数值积分作了新的简便的处理,对于亚、超音速区相互的诱导下洗给出了自己的数值积分过程。我们算了三个例题,和文献上的数值符合较好。     

跨音速三维多升力面气动设计

发展了一种跨音速多升力面的气动设计方法和设计程序,它基于已成功应用于亚、跨音速机翼设计和亚音速双翼面设计的"余量修正迭代"概念.当升力面上出现超音速区和激波时自动引用迎风格式对控制方程进行修正.开发了一系列接口程序,包括目标压力设计程序.由此气动设计程羊、TAU程序以及相应的接口程序建立了跨音速多升力面气动反设计软件系统.用两个鸭翼-机翼构型验证了设计方法和设计程序,结果表明在高跨音速下设计迭代有很好的收敛性.     

可压缩后台阶流的数值模拟

基于可压缩Navier-Stokes方程,采用Beam-Warming矢通量分裂格式以及vanLeer的矢通量分裂方法,分别通过Johnson-King及Baldwin-Lomax湍流模型对亚音速和超音速的后台阶流进行了计算,计算结果与实验符合较好。     

环形弯扭静叶栅流场的计算与实验研究

本文应用S2流面正问题计算方法和三维Euler方程的时间推进计算方法对某涡轮弯扭静叶栅流场分别进行了分析计算, 并在环形涡轮叶栅实验台上测试了该叶栅出口截面上气动参数的分布。通过分析、比较计算结果和实验数据, 既考核了算法, 也研究了弯扭静叶栅中的流动机理, 由此得出了对弯扭叶片的气动设计计算具有重要意义的几点结论。      

计算三维振动机翼上跨-亚音速压力分布的局部线化面元法

本文以小扰动位势流理论为基础,采用局部线化假设,建立了三维振动机翼的跨音速下洗积分方程;给出了跨-亚音速流核函数的计算方法;用推广的偶极子栅格法计算了矩形谐振动机翼上的非定常压力分布。结果表明,本方法可以较准确地计算非线性的跨-亚音速非定常流动,关于跨-超音速流动的数值解法,尚需作进一步的研究。     

超音速多圆弧(MCA)叶型叶珊的研究

本文提出了含脱体激波的叶栅有旋超音速流场的特征线起始线计算方法。采用激波嵌入法解完全的欧拉方程,计算了含脱体激波的多圆弧叶栅的超音速进口流场。本文发展了一种将超音速流场计算与亚音速扩散损失计算的尾迹法相关联的计算超音速叶栅损失的方法,可分别确定激波损失和亚音速扩散损失。      

小展弦比扭转机翼三维流场的数值模拟

以高速战斗机的气动特性分析为研究背景,对小展弦比带扭转机翼的亚跨超声速气动特性进行了数值分析,首先对机翼关键数据进行参数化,选取几何扭转角作为设计变量对机翼进行建模,然后利用数值模拟方法,对参数化建模后的机翼在不同扭转角下的气动力和流场结构进行了计算与分析,揭示了机翼不同扭转角对失速特性,机翼展向不同截面的压力系数分布的影响,同时,对最佳扭转角的机翼在不同马赫数下的三维流场进行了数值模拟,验证了小展弦比机翼在亚跨声速下的优越性能。     

计算高亚声速情况下三维机翼动稳定性导数的面元法

本文应用我们提出的跨-亚音速三维谐振机翼的局部线化面元法,同时采用了与之配偶的亚临界定常流绕三维厚度机翼的面元法迭代解,对几种不同平面形状的机翼,进行了俯仰和滚转阻尼导数的计算和分析,并和现有的实验数据以及线化理论的计算结果进行了比较,从而表明,本方法可以得到满意的动导数计算结果;还表明,当接近临界马赫数时,动导数计算必须计及跨音速非线性效应。     

基于近似技术的高亚声速运输机机翼气动/结构优化设计

探索基于近似技术的高亚声速运输机机翼气动/结构多学科设计优化方法,建立了基于近似技术的多学科设计优化框架。气动学科采用全速势方程加黏性修正进行翼身组合体跨声速流动的气动计算,结构学科采用有限元分析方法进行应力与变形计算。采用均匀设计法给出若干样本点,分别采用二次响应面、Kriging模型和径向基神经网络等多种近似技术,构造气动学科和结构学科的近似分析模型,并对几种近似模型精度进行了分析和比较。研究发现,Kriging模型和二次响应面具有几乎等同的较高的近似精度,神经网络的近似精度则较差,由于二次响应面计算量更小,故最终选定为机翼设计优化的近似方法。以升阻比和结构重量为目标,考虑升力、机翼面积以及应力和应变约束条件,对运输机机翼4个外形参数和4个结构参数进行多目标、多约束优化设计。优化后的机翼具有较好的气动/结构综合性能,表明本文方法是可行的。     

Supersonic drag reduction technology in the scaled supersonic experimental airplane project by JAXA

Anticipating the international cooperative development of a next generation supersonic transport (SST), Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) has developed an advanced drag reduction technique as one of the key technologies that will be required. JAXA's technique is based on an aerodynamically optimum combination of well-known pressure drag reduction concepts and a new friction drag reduction concept. The pressure drag reduction concepts are mainly grounded in supersonic linear theory and involve the application of an arrow planform, a warped wing with optimum camber and twist, and an area-ruled body. The friction drag reduction concept is a world-first technical approach that obtains a natural laminar flow wing with a subsonic leading edge at supersonic speed. An ideal pressure distribution is first designed to delay boundary layer transition even on a highly swept wing, then an original CFD-based inverse design method is applied to obtain a wing shape that realizes the pressure distribution. An unmanned and scaled supersonic experimental airplane was flown at the Woomera test field in Australia in October 2005 to prove those concepts. Flight data analysis and comparison of flight data with CFD design data validated the drag reduction technique both qualitatively and quantitatively.     

用三维欧拉方程计算机身与机翼绕流

本文用Jameson的三维欧拉方程有限体积法、四步Runge-Kutta时间推进格式,计算机身和大后掠细长机翼的三维可压缩绕流。对钝头机身,用C-O型网格;尖头机身与大后掠细长机翼用H-O型网格。本文介绍钝头旋成体、带座舱前机身和三角翼绕流的计算结果,显示流场等值M线分布,计算压强系数分布与实验比较,以及三角翼大迎角分离涡等。由于用了隐式残值光顺等加速收敛措施,有效地减少推进步数,节省机时。     

Research of low boom and low drag supersonic aircraft design

Sonic boom reduction will be an issue of utmost importance in future supersonic transport, due to strong regulations on acoustic nuisance. The paper describes a new multi-objective optimization method for supersonic aircraft design. The method is developed by coupling Seebass–George–Darden(SGD) inverse design method and multi-objective genetic algorithm.Based on the method, different codes are developed. Using a computational architecture, a conceptual supersonic aircraft design environment(CSADE) is constructed. The architecture of CSADE includes inner optimization level and out optimization level. The low boom configuration is generated in inner optimization level by matching the target equivalent area distribution and actual equivalent area distribution. And low boom/low drag configuration is generated in outer optimization level by using NSGA-II multi-objective genetic algorithm to optimize the control parameters of SGD method and aircraft shape. Two objective functions, low sonic boom and low wave drag, are considered in CSADE. Physically reasonable Pareto solutions are obtained from the present optimization. Some supersonic aircraft configurations are selected from Pareto front and the optimization results indicate that the swept forward wing configuration has benefits in both sonic boom reduction and wave drag reduction. The results are validated by using computational fluid dynamics(CFD) analysis.     

前加载翼型多点综合优化设计

前加载翼型具有低头力矩小、隐身性能好的特点,能够对气动和隐身特性进行合理折中,是理想的飞翼布局飞机截面翼型。首先介绍典型翼型参数化方法和评估方法,并对前加载翼型外形的控制能力进行评估,结果表明Hicks-Henne方法和CST方法对前加载翼型外形的控制能力较强,并且CST方法参数个数较少。然后依据飞翼布局飞机设计需求,在确定翼型设计状态和优化设计模型的条件下,将CST翼型参数化方法、N-S方程数值求解方法和遗传算法相结合进行前加载翼型多点综合优化设计,得到比参考翼型具有更大相对厚度和更优气动特性的设计结果。     

绕侧滑锥体,三维机翼与机身的超音速非线性全位势流计算

本文在Grossman的非守恒全位势方程的方法中,提出以固定网格为基础的头激波安装法,节省计算机时。计算结果与实验和欧拉方程解符合很好,与线化理论结果的比较,显示了线化理论的不足。     

基于代理模型的大型民机机翼气动优化设计

先进的气动优化设计思想与方法，对于提升大型民机气动与综合性能具有至关重要的意义。探讨了大型民机超临界机翼气动优化设计的基本准则和要点，并结合代理优化算法，提出了一种面向工程应用的多轮次高效全局气动优化设计方法。首先，通过一系列解析函数/翼型/机翼优化测试算例进行了验证。其次，将所提出的方法与人工修型相结合，开展了针对宽体客机超临界机翼的两轮气动优化设计，使其气动性能得到显著改善。最后，采用不同的雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程求解器对安装优化机翼的全机巡航构型进行了典型状态的气动性能综合评估。研究结果表明，所提出的代理优化算法具有很高的优化效率、较强的约束处理和全局优化能力；将所发展的基于代理模型的多轮次气动优化设计方法与人工修型相结合，能够获得满足设计要求的气动外形，验证了该方法在大型民机超临界机翼气动设计中的有效性和工程实用性。     

基于伴随方法的机翼多设计点气动反设计方法

针对三维机翼多点多约束气动反设计问题,基于伴随理论方法和粘性流雷诺平均N-S方程,通过粘性流数值模拟、伴随方程与梯度精确数值求解、计算网格高效算法及梯度类优化算法等有效结合,并采用考虑多设计点梯度权重系数的并行计算近似模式,开展了一种三维机翼多设计点多约束气动反设计方法研究,进行了典型算例验证。研究表明:所发展的机翼多设计点气动反设计方法具有较好的鲁棒性及优化效率。