连续变弯度翼型动态气动特性数值模拟

针对翼型后缘连续变弯度运动中后缘边界精确数值模拟的问题，提出了基于二维多项式的时空曲面拟合方法，实现了对后缘边界时空位置的精确模拟。在此基础上，基于OpenFOAM发展了翼型后缘连续变弯度与大幅度俯仰运动耦合的运动边界数值模拟，并计算了翼型耦合运动的气动力，讨论了后缘线性/非线性变形对翼型大迎角动态气动特性的影响规律。结果表明:后缘运动对翼型俯仰运动的升阻特性影响显著，特别在翼型大幅度俯仰时后缘非线性变形对升阻特性改善效果比线性变形大6%~10%。同时还研究了翼型俯仰与后缘变形运动相位差对气动特性的影响。特别地，当相位差为180°时，后缘运动使动态失速时的最大升力提高50.3%，平均升力提高34.6%；当2种运动相位差为0°时，后缘运动使动态失速时的最大阻力降低39.7%，平均阻力降低30.2%，最大升阻比提高22.3%，平均升阻比提高16.8%；同时，翼型在动态俯仰过程中出现负阻力现象，对产生负阻力的原因进行了分析。这些结果可用于指导连续变弯度后缘控制律的设计。      

高升力与失速特性缓和的翼型设计研究

为了探索适用于长航时飞行器的翼型设计思想、方法和技术,进行了新型高升力及失速特性缓和的BUAA-K1/BUAA-K2翼型的设计研究.风洞实验结果表明,与配置著名GAW-1/GAW-2翼型的机翼比较,配置BUAA-K1/BUAA-K2翼型的机翼最大升力系数和最大航时因子分别提高了15%和25%,并且实现了同时具有高升力和失速特性缓和的气动特性.     

缝道参数对多段翼型气动性能的影响

数值模拟研究缝道参数对着陆构型多段翼型气动性能的影响,采用有限体积法求解雷诺平均N-S(Navier-Stokes)方程,湍流模型采用S-A(Spalart-Allmaras)模型,给出了多段翼型升力系数与表面压力系数随各缝道参数的变化规律.计算结果表明:采用的计算模型可用于二维多段翼型的计算;缝道参数对多段翼型气动性能的影响显著,在各个缝道参数的变化范围内升力系数均存在最优值,适当的缝道参数可以抑制后翼上表面逆压梯度,消除后翼分离,并保持前翼尾迹不与后翼边界层相掺混,提高多段翼型的气动性能.      

环量控制翼型非定常气动力建模

针对目前环量控制技术中射流参数与迎角对翼型气动特性的影响高度耦合，对应非定常气动力模型精度较差的研究现状，基于环量控制翼型强迫俯仰振动数值模拟数据，借助Kriging模型实现环量控制翼型的定常气动力插值，借助微分方程模型完成了适用于环量控制翼型的线性微分方程建模，采用两步线性回归参数辨识方法辨识线性微分方程模型中特征时间常数等参数，对高动量系数大振幅流动状态下的非线性影响进行修正。研究结果表明:基于Kriging模型实现的环量控制翼型定常气动力插值精度较传统气动导数模型高，建立的环量控制翼型非定常气动力模型能够精确预测不同流动状态下的气动力和力矩系数变化情况。      

下表面射流的超临界翼型气动性能分析

为探究下表面射流关键参数对超临界翼型气动性能的影响，采用雷诺平均NavierStokes(RANS)方程与Spalart-Allmaras(S-A)湍流模型进行数值模拟。通过比较基准RAE2822翼型与下表面射流翼型的流场，验证下表面射流能够在翼型后缘诱导产生逆时针分离涡，带动流线向下偏折，增加了翼型的等效弯度，同时加大前缘的吸力峰，从而提高翼型的气动性能。进一步探究射流位置、射流动量系数、射流角度、马赫数等关键参数对RAE2822翼型气动性能的影响规律。结果表明：给定状态下，下表面射流的位置越靠后，动量系数越大，翼型的气动性能越优。下表面射流在α=0°和2°时的最优射流角度为110°，在α=4°时的最优射流角度为160°，且在最优射流角度下能有效提高翼型马赫数在0.3～0.6范围内的气动性能。     

脉冲射流对环量控制翼型气动性能的影响

定常射流在大迎角下气动性能较差,借助脉冲射流能够有效改善大迎角下的气动性能,并减少射流所需质量流量。采用非定常数值模拟的方法进行了脉冲射流作用下的环量控制翼型气动特性计算和流场分析。总结了占空比和频率分别对时均升力和升力脉动幅值的影响趋势;分析了不同迎角下的脉冲射流流动机理;进一步指出了射流动量系数的影响规律,并借助脉冲射流和定常射流的叠加效应有效缓解了升力脉动现象。结果表明:低占空比、同等升力系数下,脉冲射流可大幅度减小质量流量,但升力脉动幅值较大;小迎角下随频率增大,升力系数先增大后减小,但整体变化幅度不大,大迎角下随频率增大,升力系数持续性增大;脉冲射流能够推迟失速迎角,扩宽环量控制技术的可用迎角,并且随动量系数增大,这种优势更加明显;借助脉冲射流与定常射流的叠加效应,能够有效缓解脉冲射流作用下的升力脉动现象,达到飞行使用条件。      

基于N-S方程的翼型双设计点双目标优化设计

在使用N-S方程和尾迹面积分技术较精确地计算翼型气动阻力的基础上,对翼型进行参数化建模,应用Powell和目标组合方法讨论了翼型的双设计点双目标优化设计,并与单设计点单目标优化和单设计点双目标优化进行了对比.在给定设计条件下,2种翼型:RAE2822和"类全球鹰"翼型的计算结果表明,针对翼型设计状态,合理选择目标优化函数是必要和重要的;所采用的双设计点双目标设计方法可以兼顾多种设计状态,其优化翼型相对原始翼型具有更好的压强分布,有效提高了升力系数和降低了阻力系数;相对单设计点单目标优化和单设计点双目标优化翼型也具有更高的综合气动性能.      

旋翼翼型高维多目标气动优化设计

先进旋翼翼型设计是典型的多设计点、多目标优化问题,常规优化方法已无法满足翼型高维多目标优化设计的要求。基于分解的多目标优化算法（MOEA/D）,建立了考虑高低速升阻特性、力矩特性、阻力发散特性等的旋翼翼型高维多目标优化设计方法,并采用高精度kriging模型以提高优化设计效率。针对旋翼内段、中段翼型进行了5个设计目标的全局优化设计,采用自组织图映射（SOM）方法对最优Pareto解集进行了聚类分析。典型翼型CFD结果分析表明,中段翼型低速力矩系数幅值减小约50.7%,高速最大升力系数提高约6.5%,最大升阻比提高约7.7%,同时阻力发散特性得到改善,内段翼型同样取得了良好的多目标优化效果。研究表明,MOEA/D算法对高维多目标气动优化设计问题具有很好的适应性,能有效提升旋翼高低速气动性能设计的能力。      

跨音速翼型的气动最优化设计方法

将计算流体动力学(CFD)与最优化技术相结合,通过数值求解欧拉方程,对翼型绕流流场作出了数值模拟.再利用几何、流动和最优化控制方程,反复迭代求得在一定约束条件下气动性能最优的翼型.本文以NACA0012为原始翼型,选取两种设计工况,都取得了满意的结果.     

翼型气动性能鲁棒性优化设计

讨论了一种在来流速度不确定的情况下对翼型进行鲁棒性设计的方法.介绍了单点及多点设计方法后,阐述了鲁棒性设计方法在翼型气动性能优化中的应用,并对三者进行了比较.引入了代理模型以减少计算量, 并通过遗传算法对翼型进行鲁棒性设计.借助区间分析方法讨论了翼型设计变量的扰动对气动特性上下界值的影响.应用该方法,在提高了翼型的气动性能的同时,降低了该性能对于来流速度的敏感度.      

翼型近波浪水面气动特性研究

采用求解Navier-Stokes方程的数值方法研究了翼型NACA4412近距离经过波浪水面时的气动特性。对数值方法的准确性进行了验证。计算了翼型经过波浪水面和固壁波浪地面2种边界条件下的气动力系数，并进行了对比。研究结果表明:翼型在经过波浪水面时气动力系数会发生周期性的变化，与固壁波浪的情况相比，气动力的变化曲线存在显著差异，波动幅度更大。通过对流场结构的分析，发现了翼型和波浪水面之间的作用机理。波浪水面的质点存在竖直方向上的运动，在小地面间隙时，水面质点向上运动会挤压翼型和水面之间的空气，从而造成翼型气动力大幅波动。同时解释了来流速度越大，气动力系数波动幅度减小的原因。      

翼型波浪水面巡航地面效应数值模拟

数值求解非定常不可压缩流动的雷诺平均N-S(Navier-Stokes)方程和标准k-ε湍流模型,用VOR(Volume Of Fluid)方法模拟波浪水面,模拟了NACA2410翼型在波浪水面上方飞行的流场.研究了余弦波浪水面的生成方法,选取合适的计算网格和时间步长,避免了在生成规则余弦波浪水面时由于数值耗散使波面形状衰减.比较了固壁波浪与水面波浪计算结果的差异,发现固壁波浪的结果更接近余弦曲线分布.研究了波浪等级对翼型气动性能的影响,分析计算结果发现:在规则的余弦水面波浪上方飞行,翼型气动力呈现周期性,给出了一个周期内气动力的变化过程,以及波长和波幅对气动力平均值和波动幅度的影响规律.      

BLI效应下整流罩设计对翼型气动特性的影响

边界层吸入(BLI)效应对飞行器气动特性的影响比较显著,而整流罩的设计会进一步影响BLI效应下的翼型气动特性。为了揭示BLI效应下整流罩的主要设计参数对翼型气动特性的影响及其原因,本文采用计算流体力学(CFD)和Morris敏感度分析相结合的方法对该问题进行了详细研究,得到了整流罩主要设计参数对翼型气动特性的敏感度排序和耦合影响程度排序;对敏感度较高和耦合影响较大的参数进行了流动分析。结果表明:在巡航和起飞2种状态下,对气动系数影响相对较大的设计参数是整流罩最大厚度和进气边界弦向位置,整流罩最大厚度对翼型气动特性影响的主要原因是整流罩背风面会发生局部分离,且其还会改变阻力-流量系数曲线的趋势;整流罩最大厚度和进气边界弦向位置对翼型气动特性的耦合影响作用较强。      

基于升力线理论的机翼几何扭转设计方法

针对飞机设计对于减小诱导阻力的需求,结合升力线理论中三维机翼诱导阻力的相关研究,提出机翼的几何扭转设计方法.此设计方法以总升力、机翼平面形状、翼型气动特性为输入参数,以机翼的几何扭转为输出.在低速情况下,利用此方法得到的机翼具有椭圆形升力分布,从而具有最小的诱导阻力.采用远场法计算诱导阻力,应用参数化方法和CATIA实现机翼的自动生成,应用网格生成工具ICEM的脚本语言实现气动网格自动生成,应用MATLAB的符号运算功能编制程序.该设计方法适用于低速有粘流中平直翼的几何扭转设计,算例的CFD(Computational Fluid Dynamics)计算结果表明:利用该方法设计的机翼展向升力分布为椭圆,并能有效降低机翼的诱导阻力.     

机翼防冰过程中冰脊问题的数值分析

对机翼防冰过程中冰脊的形成特点及冰脊对机翼气动特性的影响进行了计算分析.基于经典的Messinger结冰模型开发了多步结冰程序,对不同条件下过冷水滴的撞击结冰进行了热质耦合计算,计算结果和文献试验结果吻合较好,表明该热质耦合算法的正确性.在此基础上对不同环境温度、飞行速度和不同加热功率等条件下冰脊的生长特点和机翼的气动特性进行了计算分析.结果表明:在非霜冰条件下,冰脊主要在热防护极限外并紧挨着热防护极限的位置处形成和发展,而在霜冰条件下,冰脊主要在机翼下表面形成,但是在热防护区域内有显著的结冰出现,该条件下的结冰对机翼的气动特性具有较大的破坏性.     

几何不确定性区间分析及鲁棒气动优化设计

不确定性因素会导致飞行器偏离预先设计的气动性能,造成气动性能下降甚至产生严重的后果。针对工程中无法给出准确的几何不确定性概率分布以及跨声速条件下非线性气动问题,对几何不确定性的非概率参数化建模进行了研究,并结合Kriging模型及最优化方法建立了快速非线性区间分析方法。采用该方法对对称翼型进行不确定性分析,获得了气动性能参数的定量变化区间。在区间不确定性分析基础上建立了鲁棒优化设计流程。基于区间序关系及区间可能度转换模型将单目标区间不确定性优化问题转化为多目标确定性优化问题,并采用基于Pareto熵的自适应多目标粒子群算法对优化问题进行寻优。考虑几何不确定性以及升力、力矩、面积约束,以阻力性能为目标对超临界翼型进行了鲁棒优化设计。与确定性优化设计结果对比表明,确定性优化设计在不确定性因素的影响下易失效,而鲁棒设计可得到更安全可靠的结果。      

基于PCA-HicksHenne方法的几何不确定性稳健优化设计

考虑不确定因素的稳健优化设计在飞行器气动外形设计选型中至关重要。针对环境扰动下稳健优化的研究较多,而对几何不确定性的关注则相对较少。为量化几何不确定性,采用主成分分析(PCA)方法,对RAE2822翼型的参数化过程进行了研究,并揭示了翼型的主要几何变形模态。采用敏感度分析方法,指出厚度变形模态、弯度变形模态及上翼面最大厚度位置的轴向位移模态是主要影响模态,并将其作为扰动模态进行稳健优化研究。结果表明: 不考虑扰动的确定优化翼型的升力变化更加剧烈,标准差增大近200%;考虑几何扰动的优化翼型稳健性更高,在平均性能提升的同时,无论是升力还是阻力的变化都比原始RAE2822翼型更小。