增升减阻流动控制技术的数值模拟研究

针对微型涡流发生器、实体鼓包这两种被动流动控制技术和零净质量射流这种主动流动控制技术进行了数值模拟。研究了微型涡流发生器的高度和弦向安装位置对超临界机翼增升减阻的影响规律,高度合适的微型涡流发生器对机翼上表面的流动分离控制起着有利作用;微型涡流发生器最佳气动效率的取得与其弦向安装位置有关。研究了实体鼓包的高度对超临界翼型减少激波阻力和增加升阻比的影响规律,在激波的波脚位置有效地使用实体鼓包,可以减小激波阻力;在中高升力系数情况下,使用实体鼓包可提高升阻比。还研究了零净质量射流的速度幅值和射流频率对翼型增加升力的影响规律,随着射流速度幅值的增加,翼型的平均升力系数和阻力系数都要增加;射流频率对升力的影响呈非线性。     

涡流发生器数值计算方法研究

利用RANS方程和SA湍流模型解算器,采用多重网格法和预处理技术,对叶片式涡流发生器进行了数值模拟研究,初步探讨了涡流发生器的安装方式、剖面形状、几何尺度等因素在机翼分离流动控制中的影响规律和设计原则,并初步研究了安装涡流发生器对超临界机翼气动性能的影响。     

增升装置微型涡流发生器数值模拟方法研究

 针对数值模拟带微型涡流发生器(VG)的增升装置绕流过程中出现的典型问题,研究相应解决途径.引入面搭接网格技术,避免传统结构网格方法造成的网格数量过大问题;在微型涡流发生器网格上采用特殊边界条件处理以分别对应有/无涡流发生器的状态,排除网格变动对计算结果造成的干扰;研发出了面搭接网格生成技术与特殊边界处理方法结合的求解加装微型涡流发生器的增升装置流动数值模拟方法.研究结果表明:该方法在处理增升装置这类复杂外形、复杂流动问题以及加装涡流发生器的流动控制问题时,具有良好的数值计算精度,能够满足研究需要,为开展涡流发生器精细设计和参数优化的数值模拟研究提供了可靠的技术途径.     

控制大后掠角机翼边界层分离的涡流发生器数值模拟

针对安装在大后掠角机翼上的涡流发生器控制流动分离的问题,采用雷诺平均纳维 斯托克斯 (RANS) 方程以及剪切应力传输 (SST) 湍流模型,通过搭接网格技术,对带有涡流发生器 (VG) 的大后掠角机翼进行数值模拟,分析VG的安装位置对大后掠角机翼边界层分离的控制机理及气动特性影响。研究发现VG的作用仅仅在其周边边界层内部区域,影响范围小,在弦线方向安装VG存在最佳布置位置。VG必须安装在靠近气流将要分离的高能量区域,才能有效的抑制气流分离,达到增升减阻的效果。     

基于微型叶片式涡流发生器的前体压缩面低能流掺混机理

为了改善高超声速飞行器前体压缩面边界层速度型的饱满程度,降低进气道壁面流动分离的潜在风险,提出了基于阵列微型叶片式涡流发生器的前体压缩面低能流掺混方法。采用数值模拟方法研究了涡流发生器在来流马赫数7状态下的流动特性,揭示了主要流动控制机理,并分析了安装角对掺混效果的影响规律。研究结果表明：微型叶片式涡流发生器可对近壁气流产生一定扰动,形成局部大侧滑角、低压区域,掺混的主要机理在于叶片两侧分别形成扫掠激波、膨胀波,诱导近壁流体向叶片方向偏转,形成局部横向迁移,进而与主流产生掺混效应;负安装角的涡流发生器的扰动能力最强,但总压损失也最大;正安装角时涡流发生器的扰动能力随安装角的增大而增大;相比于无控制状态,所有叶片式涡流发生器均可降低边界层形状因子,安装角15°时的边界层形状因子最小,边界层速度型最为饱满,说明该状态下壁面流动具有较优的抗逆压分离能力。     

民用支线飞机失速特性优化中关于机翼上表面涡流发生器的研究

飞机在飞行过程中迎角超过临界值后,机翼上表面原本附着的气流开始发生大面积分离,此时升力系数随着迎角的增大反而下降,这种现象称作失速。当飞机失速时,操控会受到很大的影响,是一种危险的飞行状态。某民用支线飞机在试飞中发现失速特性主要受滚转失速的影响,在达到最大升力系数之前就出现了不可接受的失速特性,失速进入过程中,副翼操纵效率降低较快,快接近失速时飞机出现急剧的滚转。涡流发生器在民机中有广泛的应用,可以改善机翼的流动分离从而提高失速特性,并且有改动小、可行性高等优点。拟通过在机翼上表面安装涡流发生器的方法来改善某民用支线飞机的失速特性。利用数值计算等方法设计出涡流发生器的位置、高度、偏角以及数量等参数。通过低速高雷诺数风洞试验来验证涡流发生器的实际效果,最后得出几种效果可观的涡流发生器方案。     

超声速来流下叶片式微型涡流发生器流动控制研究

不同构型的微型涡流发生器对提高进气道/隔离段性能所产生的效果不同.采用数值模拟方法研究来流马赫数为2.0条件下,五种叶片式微型涡流发生器对流场边界层的流动控制特性.结果表明:带有一定前缘高度的叶片式微型涡流发生器可产生更强的流向涡,总压畸变和马赫数畸变较小,流场出流质量更佳,但同时带来较大的总压损失;微型涡流发生器的前缘厚度对流场性能提升无明显帮助,反而会增大总压损失;无前缘高度的微型涡流发生器能在引入较小总压损失的情况下,使隔离段拥有较强的抗反压能力,同时有效增大壁面摩擦系数,提高边界层对抗分离的能力.     

涡流发生器在飞机增升装置设计中的应用综述

介绍了涡流发生器的工作原理、研究现状及未来发展趋势，特别针对微型涡流发生器在增升装置设计中的应用进行了综合评述，为涡流发生器应用于型号增升装置的设计提供理论依据和坚实的技术储备。     

涡流发生器和附面层抽吸相结合对于低速压气机叶栅性能的影响

为了分析微型涡流发生器(MVG)和附面层吸气(BLS)相结合的方法对高负荷轴流压气机流动特性的影响,将一种弯曲的微型涡流发生器与缝式吸气槽进行不同组合,共组成五组控制模型进行对比。其中,微型涡流发生器安装在叶片上游端壁上,缝式吸气槽位于叶片吸力面靠近尾缘处。计算结果说明:在设计攻角下,COM控制方法在使总压损失明显减小的同时增加静压系数,性能优于单独使用MVG,却不及只使用BLS的控制方法。在失速攻角下,MVG产生的尾涡将位于叶片吸力面-端壁角区之间的低能流体和主流充分混合,使得总压损失大幅度减小了11.54%。在吸气量为1.5%时,COM控制方法可以使总压损失减小达14.59%。     

基于微型涡流发生器的横向射流被动控制研究

微型涡流发生器放置于喷孔上游,采用纳米粒子平面激光散射(Nano-particle Planer Laser Scattering,NPLS)对微型涡流发生器诱导下的超声速横向射流进行了层析观测,并采用粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)方法计算了观测区域速度分布。对不同流向位置的穿透边界和横向扩散进行提取和统计平均,发现引入涡流发生器后射流穿透边界比未引入时提高了27%左右,而横向扩散最高提高了12.6%。分析涡流发生器尾迹速度场发现,尾迹在射流穿透方向上的诱导速度对射流穿透深度有重要作用,尾迹与射流在近场区域的相互作用是影响射流穿透深度和横向扩散的关键因素。     

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。     

超临界自然层流机翼设计及基于TSP技术的边界层转捩风洞试验

为了实现绿色航空节能减排的目标,层流设计技术成为飞行器设计者的研究热点。对于跨声速客机而言,超临界自然层流机翼设计技术将显著减小飞行阻力,提升气动性能,减少燃油消耗和污染物排放。首先,基于高精度边界层转捩预测技术耦合翼型优化设计系统,实现超临界自然层流翼型设计;经过合理的翼型配置,形成超临界自然层流机翼。转捩数值模拟分析结果表明,超临界自然层流机翼的层流流动特性良好。然后,以比例为1：10.4的试验模型在荷兰高速低湍流度风洞进行边界层转捩风洞试验,使用温度敏感材料涂层（TSP）技术拍照获得机翼表面在不同马赫数、雷诺数和迎角工况下的层流-湍流分布。最后,通过超临界自然层流机翼边界层转捩试验结果,探讨了该类型机翼的转捩特性随来流参数的变化规律,总结了超临界自然层流机翼设计的关键因素。此外,该模型也可用来验证边界层转捩预测技术在超临界、高雷诺数工况下的预测精度。     

环量控制机翼增升及滚转控制特性研究

环量控制作为一种高效的主动流动控制技术,在飞行器的气动改善、姿态控制方面具有巨大潜力.本文设计一套可以实现向下吹气的环量控制装置,并将其应用于飞行器进行气动控制.首先,通过数值模拟选取环量控制参数,同时分析环量控制翼型的气动特性.通过风洞实验,对同尺寸常规舵面模型和带有环量控制装置的模型进行气动力和气动力矩研究;采用粒...     

超临界机翼气动设计的准则、流程和设计实例

以计算空气动力学为基础,提出超临界机翼的气动设计准则和设计流程。翼型设计准则是:非设计状态音速区压力平坦;延迟后缘分离;设计状态迎角接近于零和局部最小厚度约束等。机翼设计准则是:在约束条件下诱阻最小;满足纵向稳定性要求;上翼面等压线型态和考虑结构弹性变形等。设计过程可分为两个阶段,即总体优化和机翼气动设计优化。后者的步骤是基本翼型设计、初始机翼外形设计、机翼巡航外形设计和机翼型架外形设计。对设计实例进行风洞试验后表明:尽管新机翼的平均厚度比某干线运输机厚14％,但安装该机翼的干线运输机巡航效率仍比前者高12％。     

Computational aerodynamic analysis on perimeter reinforced （PR）-compliant wing

Abstract Implementing the morphing technique on a micro air vehicle （MAV） wing is a very chal- lenging task, due to the MAWs wing size limitation and the complex morphing mechanism. As a result, understanding aerodynamic characteristics and flow configurations, subject to wing structure deformation of a morphing wing MAV has remained obstructed. Thus, this paper presents the investigation of structural deformation, aerodynamics performance and flow formation on a pro- posed twist morphing MAV wing design named perimeter reinforced （PR）-compliant wing. The numerical simulation of two-way fluid structure interaction （FSI） investigation consist of a quasi- static aeroelastic structural analysis coupled with 3D incompressible Reynolds-averaged Navier- Stokes and shear-stress-transport （RANS-SST） solver utilized throughout this study. Verification of numerical method on a rigid rectangular wing achieves a good correlation with available exper- imental results. A comparative aeroelastic study between PR-compliant to PR and rigid wing per- formance is organized to elucidate the morphing wing performances. Structural deformation results show that PR-compliant wing is able to alter the wing＇s geometric twist characteristic, which has directly influenced both the overall aerodynamic performance and flow structure behavior. Despite the superior lift performance result, PR-compliant wing also suffers from massive drag penalty, which has consequently affected the wing efficiency in general. Based on vortices investigation, the results reveal the connection between these aerodynamic performances with vortices formation on PR-comoliant wing.     

Proportional fuzzy feed-forward architecture control validation by wind tunnel tests of a morphing wing

In aircraft wing design, engineers aim to provide the best possible aerodynamic performance under cruise flight conditions in terms of lift-to-drag ratio. Conventional control sur-faces such as flaps, ailerons, variable wing sweep and spoilers are used to trim the aircraft for other flight conditions. The appearance of the morphing wing concept launched a new challenge in the area of overall wing and aircraft performance improvement during different flight segments by locally altering the flow over the aircraft's wings. This paper describes the development and appli-cation of a control system for an actuation mechanism integrated in a new morphing wing structure. The controlled actuation system includes four similar miniature electromechanical actuators dis-posed in two parallel actuation lines. The experimental model of the morphing wing is based on a full-scale portion of an aircraft wing, which is equipped with an aileron. The upper surface of the wing is a flexible one, being closed to the wing tip; the flexible skin is made of light composite materials. The four actuators are controlled in unison to change the flexible upper surface to improve the flow quality on the upper surface by delaying or advancing the transition point from laminar to turbulent regime. The actuators transform the torque into vertical forces. Their bases are fixed on the wing ribs and their top link arms are attached to supporting plates fixed onto the flex-ible skin with screws. The actuators push or pull the flexible skin using the necessary torque until the desired vertical displacement of each actuator is achieved. The four vertical displacements of the actuators, correlated with the new shape of the wing, are provided by a database obtained through a preliminary aerodynamic optimization for specific flight conditions. The control system is designed to control the positions of the actuators in real time in order to obtain and to maintain the desired shape of the wing for a specified flight condition. The feasibility and effectiveness of the developed control system by use of a proportional fuzzy feed-forward methodology are demon-strated experimentally through bench and wind tunnel tests of the morphing wing model.     

Investigation of Vortex Interaction in Canard-FSW Configurations Based on the Numerical Wind Tunnel Method

The vortex interference mechanism on low Reynolds number between the canard and main wing of the canard-forward sweep wing (Canard-FSW) configurations is simulated numerically by employing the numerical wind tunnel method. The variations of aerodynamic characteristics of Canard-FSW configurations with different positions of the canard are investigated, finding that the aerodynamic interference and mutual coupling effect between the canard and main wing have made great contributions to the lift and stability characteristics of the whole aircraft. Canard can radically improve the surface flow pattern of the main wing. And its own vortex can have a favorable interference on the main wing and can effectively control the airflow boundary layer separation. At small angles of attack, the aerodynamic characteristics are sensitive to the positions of the canard and the main wing, but at high angles of attack, the aerodynamic performances of the configuration are not only related to the shape of the canard (forward or backward), but also with the size of control force as well as the features of the vortices generated above the main wing and the canard. The different configurations and vortices are illustrated using the velocity vector, streamlines and pressure contours.     

双后掠鸭翼气动特性的数值模拟

首先针对具有中等前缘后掠角梯形鸭翼的缺点提出双后掠鸭翼概念,然后分别对安装梯形鸭翼和双后掠鸭翼的近距耦合鸭式布局的气动性能进行数值模拟研究,分析影响双后掠鸭翼气动性能的流动机理。研究表明：在大迎角时,对于双后掠鸭翼,具有较大前缘后掠角的外翼段可以使鸭翼涡在涡核破裂后仍能形成稳定集中涡并保持较高的强度,增加鸭翼本身的失速迎角,并通过诱导作用改善机翼外翼段流场,进而提高全机大迎角性能,但在小迎角时会破坏鸭翼附着流或前缘气泡涡的发展,造成略微的升力损失。拥有较大失速迎角的双后掠鸭翼在小迎角时具有较大的可用偏度,可以增强布局的抬头控制能力。双后掠鸭翼在满足隐身约束的前提下,超声速阻力较小,具有较好的超声速性能。