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.     

基于CFD的水收集系数及防冰表面温度预测

利用计算流体力学(CFD,Computational Fluid Dynamics)软件FLUENT,对二维机翼在结冰气象条件下飞行时的水收集系数,以及防冰系统工作并达到稳定后的防冰表面温度进行了计算.水收集系数计算采用FLUENT中的欧拉两相流模型以及用户自定义函数.特定飞行条件及热气防冰系统结构下的防冰表面平衡温度分布预测采用防冰腔内外热流耦合的方法.所得结果和理论分析一致,表明了利用FLUENT可以有效的进行防冰研究,包括水收集系数及防冰表面温度的预测,为今后进一步研究设计热气或电热防冰系统打下基础.      

大展弦比柔性机翼气动特性分析

长航时无人机在飞行过程中受气动载荷影响,其大展弦比机翼产生弯曲和扭转变形,这种弹性变形严重影响飞机的飞行性能和飞行安全,不能将此种飞机机翼当作传统的刚性机翼进行气动分析.针对一真实复合材料大展弦比前掠机翼,采用气动/结构一体化的分析方法,利用计算流体动力学(CFD)软件FLUENT和计算结构动力学(CSD)软件NASTRAN联合求解,研究了在不同载荷情况下大展弦比柔性机翼静气动弹性变形对机翼气动特性的影响.结果表明,大展弦比无人机机翼受载变形后升阻比降低,滚转力矩和偏航力矩显著增大,对飞机的纵向和横侧向气动性能产生不利影响,同时也证明此CFD/CSD耦合计算方法可以应用到柔性机翼的气动/结构一体化设计中.      

积冰对飞机纵向操稳特性的量化影响

提出了一种根据气象条件、飞机特征、飞行条件预测积冰对飞机飞行动力学特性影响的估算方法.采用热力学平衡分析方法完成了积冰增长过程的数学描述,利用逐步线性回归方法建立了结冰飞机的气动模型,计算得到了结冰飞机的气动参数,计算结果与试验结果吻合较好,表明这种方法具有一定的工程实用性.并在此基础上研究了不同部位积冰对飞机纵向操稳特性的影响,通过数值仿真计算得出,结冰飞机气动特性的急剧恶化会导致其纵向操稳特性显著降低,严重时会危及其飞行安全.      

氢动力无人机大展弦比机翼静气弹特性分析

以氢动力超长航时无人机(UAV)为背景,针对其大展弦比轻质复合材料机翼,采用强耦合方法求解了几何非线性变形下的静气弹特性,对比了弹性机翼与刚性机翼的气动性能,并在此基础上,给出了一种刚性机翼的弹性气动力修正方法。结果表明:相比刚性机翼,弹性机翼巡航状态下的升阻比降低3.2%,滚转力矩导数和偏航力矩导数显著增大,对飞机的气动性能产生不利影响;基于刚性计算结果,对大展弦比机翼进行气动修正,是一种有效的大展弦比轻质机翼气动分析思路。     

旋翼结冰模型与纵列式直升机平衡特性分析

为了研究纵列式直升机结冰后的飞行动力学问题,基于CFD(ComputationalFluid Dynam ics)技术提出了旋翼结冰的理论模型;基于旋翼冰风洞试验数据,考虑桨叶表面附着冰脱落及桨叶表面局部温度对结冰的影响,提出了旋翼结冰的工程模型.建立了纵列式直升机结冰后的飞行动力学模型,研究了不同飞行速度条件下结冰对样机CH-47B平衡特性的影响,分析了环境温度、结冰时间、液态水含量以及平均水滴直径对旋翼扭矩的影响.计算结果的对比分析显示:两种结冰模型在计算精度上基本一致,表明结冰模型合理,能够用来进行结冰后的飞行动力学分析,为纵列式直升机结冰后的飞行动力学研究奠定了基础.     

飞机系列机翼气动特性稳健匹配优化设计

在现代大型客机系列的设计中,机翼常作为通用模块,在每个型号上使用.针对各个型号因使用任务要求不同而使得对机翼气动特性需求不同的问题,引入设计权重,提出机翼气动特性匹配设计概念,建立了机翼气动特性匹配设计模型.并分析了设计权重的不确定性对机翼气动特性的影响,建立了稳健匹配优化设计模型,最终完成某高亚音速客机系列机翼气动特性稳健匹配优化设计.研究结果表明:与传统优化方法相比,稳健优化设计能够减小飞机系列中机翼在各型号上的气动特性差异,降低了设计权重的不确定性对机翼气动特性的影响, 提高了飞机系列的气动性能.     

充气式机翼的颤振特性分析

充气式机翼的结构刚度由内充气压决定,其颤振特性需要建立静、动力学耦合的分析方法.机翼结构刚度和固有振动特性需要在静力分析基础上计算,进一步计算非定常气动力,从而采用传统的颤振计算方法分析其颤振特性.针对某一充气式机翼采用膜单元建立了有限元模型.在不同内充压条件下,对充气机翼进行了静力分析得到其结构刚度;然后对机翼进行模态计算和颤振分析.研究表明:各阶模态的频率随内充气压的升高而升高;除典型的弯扭模态外,充气机翼的弦向弯曲模态频率较低;充气机翼的颤振形式除常规的弯扭模态耦合外,弦向弯曲模态同样会发生颤振;机翼的临界颤振速度随内充压的变化近似呈分段线性变化;临界颤振模态及耦合分支在一定气压范围内保持不变.      

多段翼积冰的数值模拟及防冰预测

为研究飞行器翼面积冰预测问题,通过对积冰形成机理的分析,提出了基于经典Messinger模型的积冰表面传质传热的改进模型;通过引入对多段翼空气流场的插值计算,建立了多段翼翼面积冰预测模型;考虑防冰系统向翼面控制体带入的等效热功率,提出了防冰条件下的积冰预测方法.通过对算例的分析对比,数值模拟计算结果与实验数据基本吻合,表明本文提出的结冰计算模型合理,能够用来进行积冰预测分析,为进一步研究翼面结冰后的飞行动力学问题及防除冰系统的设计奠定了基础.      

机翼前缘积冰对大飞机操稳特性的影响

机翼结冰影响飞机的操稳特性和飞行性能,对飞行安全造成危害。基于实验数据构建了典型的不同结冰严重程度的机翼前缘积冰冰形,采用高精度数值模拟方法得到背景飞机机翼前缘积冰的气动数据,建立了飞机六自由度非线性动力学模型,在此基础上设计了俯仰角保持、滚转角保持及高度保持模式的自动驾驶仪闭环仿真系统。通过开环仿真,分析了不同程度积冰对飞机配平特性、纵向长短周期模态及横航向模态的影响,比较了不同程度积冰情形下飞机动态响应的差异。通过闭环仿真,研究了积冰对3种模式下自动驾驶性能的影响。仿真结果表明:积冰对飞机配平特性、模态特性及开环动态响应特性均会造成一定的不良影响,威胁飞行安全。      

积冰几何特性对翼型性能影响的神经网络预测

积冰几何形状对翼型气动系数的影响是复杂的.采用BP(Back Propagation)神经网络的LM(Levenberg-Marguardt)学习算法,建立明冰的典型几何特性(冰角前缘半径、冰角高度和冰角位置)对翼型气动系数影响的神经网络,得到该3种几何参数对气动系数影响的规律;建立了典型冰形参数对最大升力系数影响的神经网络,该网络能很好的预测冰形参数对应的最大升力系数值;此外,建立了冰型位置对舵面铰链力矩系数影响的神经网络.仿真结果表明,BP神经网络仿真结果与实验值具有高度一致性,并能预测非实验值条件下的气动系数;翼型表面积冰位置变化对气动系数影响最大;铰链力矩系数在失速迎角达到之前就发生突变,可以更安全地用来预测失速的发生.      

基于润滑理论的二维积冰数值模拟

将基于润滑理论的水膜-冰层模型推广到在任意二维截面上建立的正交曲线坐标系,得到描述二维型线表面水膜流动和积冰的偏微分控制方程.采用一种隐式-显式有限差分格式建立控制方程组的代数形式,给出求解非稳态控制方程组的数值方法.为验证模型和数值解法的有效性,在典型的航空积冰和传输线积冰环境下对翼型和传输线表面的积冰算例进行数值模拟.将水膜-冰层模型的冰形计算结果与传统Messinger模型的模拟结果以及冰风洞试验结果进行对比,低温明冰条件下采用当前方法计算的翼型表面冰形接近于Messinger模型的模拟冰形曲线;相对高温条件下的计算结果比传统Messinger模型更为精确.低速积冰环境下Messinger模型难以模拟的传输线表面积冰同样可以采用水膜-冰层模型进行有效 预测.     

积冰对飞机飞行性能的影响

针对飞机飞行过程中出现的积冰所带来的不利影响,提出一种求解积冰条件下飞行性能的思路.基于二维有限基本解法对翼型前缘的积冰形状进行预测;在计算飞行性能时,利用数值模拟的方法求解RNG(Renormalization Group) k-ε湍流模型下的雷诺平均N-S(Navier-Stokes)方程,对飞机全机流场进行解算,从而得出积冰状态下飞机的升力、阻力特性.最终结果表明:积冰严重影响着飞机的飞行性能,这与由相关实验得出的结论一致.该方法可应用于工程领域,对积冰条件下飞机的飞行性能进行快捷、有效地求解,为研究飞机防冰技术、提高飞行性能提供参考.      

基于NACA0030的波纹状翼型气动特性探索

相对于光滑翼型，波纹状翼型的气动特性呈现出一些独特现象。为了深入探索这种布局的气动特点，在前期风洞试验的基础上，以NACA0030翼型为基础，设计了一组具有不同外形特征的波纹状翼型，开展了非定常数值模拟工作，详细研究了低雷诺数（Re=12×104）流动情况下波纹状外形对流场涡流结构和总体气动特性的影响规律。计算结果表明:相对于光滑翼型，波纹状翼型流动的分离流现象更明显，升力和升力线斜率有明显下降，但推迟了失速现象。波纹状翼型表面越光顺，气动特性越接近于光滑翼型。虽然波纹状翼型的压差阻力大于光滑翼型，但是波纹状外形产生的回流可以减小摩擦阻力。      

结冰模拟与AEDC方法有效性的验证

介绍了AEDC(Arnold Engineering Development Center)结冰缩比方法,并对其有效性问题,用数值仿真方法进行了验证.利用结冰仿真计算软件对NACA0012翼型及其1/2和1/3缩比模型、圆柱及其1/2缩比模型进行了结冰数值模拟,内容涉及流场、水滴撞击特性和冰生长计算等.缩比部件的结冰条件由AEDC方法确定.结果表明,翼型、圆柱与其缩比模型的结冰过程具有较好的相似性.说明AEDC方法科学合理,其确定的结冰缩比试验参数有效,同时也说明结冰模拟技术可用于结冰缩比相似性研究.     

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。      

直升机前飞状态旋翼结冰风洞试验研究

为研究直升机旋翼在不同前飞状态的结冰情况,研制了直升机旋翼模型结冰试验台,在中国空气动力研究与发展中心结冰风洞4.8 m×3.2 m试验段中进行了旋翼结冰风洞试验。以某型直升机2 m直径旋翼缩比模型为试验对象,分析了旋翼转速、初始拉力系数对旋翼结冰的影响。结冰试验过程中保持旋翼操纵恒定,利用天平测量了旋翼拉力和扭矩性能的动态变化,并采用二维冰形切割及三维冰形扫描的方式分别测量了桨叶展向典型剖面的翼型及桨叶的整体结冰形态。试验得到了旋翼结冰关键数据,分析结果表明:旋翼桨叶结冰主要集中在桨叶前缘和下表面,结冰会在降低旋翼升力的同时增大旋翼扭矩和功率;小拉杆杆端轴承的积冰可能造成卡塞,变距拉杆上的积冰可能造成杆端轴承卡塞,从而使旋翼操纵失效。