Aerodynamic investigation of twist angle variation based on wing smarting for a flying wing

In this paper, the effects of twist angle variation on aerodynamic coefficients and flow field on the wing with wing smarting approach are studied using numerical simulation. The simulation was performed using incompressible Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) equations based on the two-equation k-ω Shear Stress Transport (SST) turbulent model for flow speed 30 m/s and a Reynolds number of 69000. Investigations have been carried out for several twist angles and at a specific range of angles of attack. The twist applied is the type of geometric twist (wash-out), which is linearly distributed along the span. The test case is a lambda-shaped tailless aircraft with a wing fracture on the trailing edge, and a sweep angle 56°. The results show that with increasing twist angle, the aerodynamic efficiency improves over a wide range of angles of attack, but at 0° angle of attack it will decrease significantly. By increasing the angle of attack, the effect of twist on the flow field and aerodynamic coefficients will gradually decrease; hence, at a certain amount of angle of attack, the effect of twist will stop, that angle is called the neutral brink angle. Longitudinal stability analysis shows that by growing the twist angle, the conditions required for longitudinal stability are satisfied, and the pitch-up phenomenon will be delayed.     

基于DES方法的三角翼激波-涡干扰流场数值模拟

采用基于Spalart-Allmaras湍流模型的脱体涡模拟（DES）方法,数值求解Navier-Stokes方程,模拟绕尖前缘三角翼的跨音速流动,并对三角翼上翼面的复杂激波-旋涡干扰流场进行了分析。与NASA兰利研究中心的NTF风洞实验结果对比分析表明,DES方法能很好地模拟跨音速三角翼上的旋涡流动。随着攻角由中度攻角增加到大攻角,支架附近的激波越来越强,对主分离涡的干扰作用越来越大,直至出现激波干扰导致的涡破裂。激波的形状、位置及涡破裂位置均与实验结果吻合良好。     

绕跨声速三角翼的激波/涡干扰流场数值模拟

 在绕三角翼的跨声速流动中,随着迎角的增加,三角翼上的涡破裂位置会出现突然前移的现象。针对这一与亚声速下不同的流动现象,采用带曲率修正的Spalart-Allmaras(SAR)湍流模型,求解定常雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程,对不同迎角下绕65°后掠尖前缘三角翼的跨声速流动进行数值模拟,并在此基础上,采用基于SAR湍流模型的脱体涡模拟(DES)方法,对由激波干扰导致的前缘涡破裂位置的运动规律进行了初步探讨。模拟结果与试验结果对比表明:SAR湍流模型能准确地模拟出三角翼上的激波系统和旋涡结构,并能准确模拟出由于激波干扰导致的涡破裂位置突然前移的现象。此外,对涡破裂后流场的非定常数值研究发现,支架前端正激波的干扰作用使得涡破裂位置向下游移动比较突然,而向上游移动则相对缓慢。     

Aerodynamic performance enhancement of a flying wing using nanosecond pulsed DBD plasma actuator

Experimental investigation of aerodynamic control on a 35 swept flying wing by means of nanosecond dielectric barrier discharge(NS-DBD) plasma was carried out at subsonic flow speed of 20–40 m/s, corresponding to Reynolds number of 3.1 · 105–6.2 · 105. In control condition, the plasma actuator was installed symmetrically on the leading edge of the wing. Lift coefficient, drag coefficient, lift-to-drag ratio and pitching moment coefficient were tested with and without control for a range of angles of attack. The tested results indicate that an increase of 14.5% in maximum lift coefficient, a decrease of 34.2% in drag coefficient, an increase of 22.4% in maximum lift-to-drag ratio and an increase of 2 at stall angle of attack could be achieved compared with the baseline case. The effects of pulsed frequency, amplitude and chord Reynolds number were also investigated.And the results revealed that control efficiency demonstrated strong dependence on pulsed frequency. Moreover, the results of pitching moment coefficient indicated that the breakdown of leading edge vortices could be delayed by plasma actuator at low pulsed frequencies.     

Numerical investigation of unsteady vortex breakdown past 80°/65° double-delta wing

An improved delayed detached eddy simulation （IDDES） method based on the k-x-SST （shear stress transport） turbulence model was applied to predict the unsteady vortex breakdown past an 80o/65o double-delta wing （DDW）, where the angles of attack （AOAs） range from 30° to 40°. Firstly, the IDDES model and the relative numerical methods were validated by simulating the massively separated flow around an NACA0021 straight wing at the AOA of 60°. The fluctuation properties of the lift and pressure coefficients were analyzed and compared with the available measurements. For the DDW case, the computations were compared with such mea-surements as the mean lift, drag, pitching moment, pressure coefficients and breakdown locations. Furthermore, the unsteady properties were investigated in detail, such as the frequencies of force and moments, pressure fluctuation on the upper surface, typical vortex breakdown patterns at three moments, and the distributions of kinetic turbulence energy at a stream wise section. Two dominated modes are observed, in which their Strouhal numbers are 1.0 at the AOAs of 30°, 32° and 34° and 0.7 at the AOAs of 36o, 38° and 40°. The breakdown vortex always moves upstream and downstream and its types change alternatively. Furthermore, the vortex can be identified as breakdown or not through the mean pressure, root mean square of pressure, or even through correlation analysis.     

穿越微下冲气流的飞翼布局无人机控制方法

微下冲气流是最危险的低空风切变形式,为在起降阶段安全穿越该气流,飞翼布局的无人机控制律应具有快速响应能力和良好的鲁棒性。针对大展弦比飞翼布局无人机舵面附加升力大和低速状态俯仰操纵效能低的特点,提出了舵面附加升力和机体气动力相结合的复合控制方案,改进了以输出误差为参考量的非线性指令分配策略,设计了基于迎角保护的指令分配策略。将风干扰和模型的不确定性视为未知扰动,采用自抗扰控制(ADRC)理论设计飞翼布局无人机非线性控制律,使之对风干扰和模型的不确定性进行估计补偿。仿真结果表明,复合控制与ADRC相结合的方法加速了航迹倾角的单位阶跃响应速度,使上升时间缩短了64%,同时能够实现对风干扰的有效观测和补偿,使高度损失低于2m;能够在风切变中有效保护迎角,使其维持在5.5°以内。因此,该方法能够为飞翼布局无人机安全平稳地穿越微下冲气流提供一种参考方案。     

小展弦比飞翼标模 FL-2风洞跨声速开孔壁干扰特性修正研究

为了满足现代风洞试验精细化要求,提高风洞试验数据精准度,开展跨声速开孔壁洞壁干扰修正方法研究。本文利用实测壁压信息构造开孔壁边界条件,通过求解 N-S 方程,模拟试验模型在风洞中的绕流场,建立基于壁压信息的跨声速洞壁干扰非线性修正方法。不同于线性修正方法,本方法可用于各种复杂外形飞行器的亚、跨声速开孔壁洞壁干扰修正,结合小展弦比飞翼标模风洞试验数据,对其在 FL-2风洞试验数据开展洞壁干扰特性研究。洞壁干扰修正结果表明,洞壁干扰量随马赫数变化呈增长趋势,Ma ＝1．0左右达最大,经过修正的 FL-2风洞的跨声速试验结果,与 FL-26风洞近似无干扰试验结果吻合良好。     

基于扇翼机翼升推力机理的吹气机翼研究

基于对扇翼飞行器升推力产生机理的数值计算与分析,提出了一种扇翼飞行器机翼的替代方案——吹气机翼。分析了扇翼机翼升推力的产生机理并在扇翼机翼翼型的基础上构建了吹气机翼翼型。建立了两种机翼翼型的数值计算方法,通过对比相对静压分布曲线、速度云图和压力云图,证明了吹气机翼具有与扇翼机翼一样的升推力产生方式,即涡致升推力的形成机制。通过将横流风扇加速后气流流速定义为吹气机翼吹气速度,对比了两种机翼升推力随来流速度和迎角的变化关系。结果表明:两种机翼的升推力变化趋势基本一致,仅在迎角大于20°时,吹气机翼推力值相较扇翼机翼损失了近5倍。总体而言,在常规飞行状态下,吹气机翼能够替代扇翼机翼,为相关飞行器的增升和优化设计提供了一种思路。      

基于模态波理论的压气机失速先兆识别方法

针对压气机气动失速预警存在无法兼顾对渐进型和突尖型失速先兆有效识别的不足,以及提取失速团幅值需要多路传感器信号的局限。分析了压气机失速发展过程中的信号特征;根据压气机失速信号的旋转特性,提出基于单路传感器信号重构周向多路失速先兆信号的方法,讨论了信号重构步长的取值;基于模态波理论,通过对重构信号进行空间傅里叶变换,得到失速扰动信号各阶模态幅值,根据低阶模态的幅值变化实现对渐进型与突尖型失速先兆的识别。以某压气机为例进行仿真,结果表明:当信号重构的步长小于突尖波时间尺度的一半时,重构的多路信号能够复现压气机周向位置失速发展过程,且步长越小,越有利于失速先兆的识别;由模态分解得到的1阶模态幅值的变化能够有效反映失速发展过程;通过合理设置模态幅值的阀值,可以在失速发展前期对失速先兆进行准确识别,从而,基于单路传感器失速信号即可实现对渐进型失速和突尖型失速均能进行预警。      

Virtual flight test of pitch and roll attitude control based on circulation control of tailless flying wing aircraft without rudders

Circulation Control(CC) realizes rudderless flight control by driving compressed air jet to generate a virtual rudder surface, which significantly improves low detectability. The layout plan of combined control rudder surface is proposed based on the tailless flying wing aircraft. The closed-loop jet actuator system and stepless rudder surface switching control strategy are used to quantitatively study the control characteristics of circulation actuator for pitch and roll attitude through 3-DOF ...     

高空长航时飞翼布局无人机静气动弹性研究

高空长航时大展弦比飞翼布局无人机在气动载荷的作用下所产生的较大的弹性变形,显著地改变了全机的升阻特性及静稳定性,常规的刚性飞机假设已不能满足其总体气动特性分析的精度要求.基于CFD/CSD松耦合的方法研究了大展弦比飞翼布局无人机的静气动弹性特性问题,结果表明:静气动弹性效应将显著降低这类飞机的升阻特性,并显著增加原设计配平巡航点的俯仰力矩;滚转静稳定性导数可提高41.7％,同时改善了刚体外形设计中存在的纵向静不稳定现象;局部气动载荷显著地向翼根转移,从而有利于结构设计.     

基于遗传算法的柔性飞翼布局阵风减缓设计

将飞翼布局飞机的阵风减缓设计转化为多目标优化问题.基于气动伺服弹性稳定裕度修正个体适应度,建立了改进的多目标非支配排序遗传-阵风减缓算法(NSGA-GLA算法).基于无控飞机的阵风响应特性,提出了阵风减缓控制方案.以翼根弯矩、俯仰角速率和舵偏角最小为目标,采用NSGA-GLA算法对控制器增益参数进行了优化.仿真结果表明,所设计的控制器能够有效改善飞机的阵风响应特性,实现阵风减缓.     

模型跟踪和涡流控制在飞翼布局飞机上的应用

为增加小展弦比飞翼类布局飞机的操纵特性,并满足其对隐身性能的要求,将模型跟踪控制器和涡流控制器进行综合使用.模型跟踪是一种提高系统闭环响应并跟踪驾驶员指令的方法,通过此方法可使动态特性较差的飞机对动态特性较好的飞机输出进行跟踪,由此来改善飞机的动态特性.增加涡流控制可以进一步扩展模型跟踪控制的作用效果,涡流控制器使用变步长神经网络进行训练.结果表明,两种方法的综合使用可以有效地提高飞机的动态特性,通过增加涡流控制后,进一步增加了模型跟踪控制的作用效果.     

基于LB动态失速模型的摆线桨气动性能计算方法

在Mcnabb摆线桨计算模型的基础上,提出了基于LB动态失速模型的改进的气动力计算模型。该模型可以计入叶片分离流动和叶片翼型升阻特性的影响,从而提高摆线桨悬停状态下的气动力计算精度。将计算结果与悬停时不同条件下的摆线桨的实验结果和原计算模型进行了对比,结果表明,所提出的计算模型具备很高的计算精度,可以用于摆线桨悬停状态下的气动性能设计与分析。通过对计算结果的分析,揭示了摆线桨具备高气动效率的部分机理。     

翼身融合布局缩比模型飞行试验动力影响分析

动力系统的进排气效应是影响翼身融合布局飞机俯仰力矩特性和全机纵向配平的重要因素。为了研究动力对全机俯仰力矩的影响,基于飞行动力学方程,提出了一种动力影响计算方法。以某翼身融合布局缩比模型为研究对象,结合风洞试验数据,分析了模型飞行试验中爬升段、平飞段和下降段动力对全机俯仰力矩系数的影响,同时计算了迎角测量误差对俯仰力矩计算结果的影响。分析结果表明:动力使该翼身融合布局缩比模型低头力矩增加,会对全机纵向配平产生不利影响;迎角测量精度对俯仰力矩计算结果有较大影响。     

基于共轭方程法的跨声速机翼阻力优化设计

机翼的气动特性从根本上决定了飞机巡航状态下的气动特性,经过良好设计的机翼会明显地提升全机的气动特性。连续共轭方程方法由于其求解梯度的计算量与设计变量数目无关,可以对复杂构型进行有效的优化设计。本文采用连续共轭方程方法对粘性条件下的机翼气动外形进行了优化设计。采用有限体积法进行流动控制方程和共轭方程的数值空间离散,多步Runge-Kutta方法进行时间推进,对于某三维机翼进行了有效的气动优化设计。     

半模机翼振动对气动性能影响的风洞试验研究

为了验证翼型振动测压试验结果和有关振动数值模拟文献的计算结果,设计完成了对称翼型NA-CA0012和层流翼型NACA64-210两种半模机翼的低速风洞振动试验。通过专门研制的半模振动模型,选取5种激振方式,用直接测力法得到了模型在静态和不同激振方式下升力特性变化曲线,分别研究了振动频率、雷诺数、自然转捩和固定转捩、数据采集方式等参数对机翼气动特性的影响。试验结果表明：半模机翼振动的气动特性与二元翼型和数值计算情况有所不同,其影响因不同翼型构型、不同采集方式和翼面不同流动模式等会产生不同效果。并对产生原因进行初步探讨。     

三种跨声速洞壁干扰修正方法及其在小展弦比飞翼标模试验中的应用

在 FL-24风洞进行了带壁压信息测量的小展弦比飞翼标模测力试验,并在 FL-26风洞进行了洞壁干扰验证试验。本文利用小扰动位流壁压信息法、全速势位流方法、基于 RANS 的壁压信息法三种方法开展飞翼标模的洞壁干扰修正研究,并与试验结果进行了比较。结果表明,飞翼标模洞壁干扰呈现与翼身尾常规布局不同的规律,三种方法在飞翼标模洞壁干扰修正中有各自的适用性。     

基于主动流动控制技术的无舵面飞翼布局飞行器姿态控制

飞翼布局飞行器因其升阻比高、隐身性能好等诸多优势得到越来越广泛的应用,但是操纵舵面偏转会增加飞行器的雷达散射截面积。提出了采用射流环量控制和反向射流两种主动流动控制技术实现飞行器的无舵面飞行姿态控制。利用风洞测力试验对射流环量控制和反向射流的舵效进行了分析,结果表明环量控制技术能产生规律变化且可控的滚转和俯仰力矩、反向射流产生的偏航力矩随控制信号规律变化。飞行试验记录了飞行器姿态随射流激励器控制信号的变化规律,飞行数据表明俯仰环量控制激励器能有效地控制无人机的俯仰运动;无人机的横航向操纵存在耦合,但滚转环量控制激励器和反向射流能控制无人机的滚转和偏航运动。     

基于有限元法的机翼安全性评价的研究

运用有限元方法及大型有限元软件包Ansys，提出利用三个指标定量评价机翼的安全性，即应力位移的条件、关键点的安全系数、机翼载荷失效过程稳定安全度。并通过空客A320实例验证这种做法的有效性。计算结果表明，机翼总体上满足安全稳定要求，机翼发生失效的最危险的部位是机翼的根部，在循环疲劳载荷作用下，应注意机翼的根部及机翼的关键点上。