基于质心稳定的仿生变后掠翼最优变形规律研究

鸟类飞行中翅膀手翼和肘翼段的协同变形模式,为解决大展弦比无人机变形过程中质心和焦点的复杂偏移问题提供了有效途径。基于MQ-9无人机的反设计及变形机翼改型设计结果,建立了4个内、外段不同展长比例的机翼模型。基于结构设计结果,确定了质心稳定情况下内、外段后掠角协同变化规律及变形过程中纵向静稳定度的变化情况。基于CFD技术,对翼身组合体进行气动力计算,构建代理模型并结合遗传算法对计算结果进行全局寻优,探究仿生变后掠翼无人机的最优飞行状态及变形规律,选定最优仿生变后掠翼模型。分析结果表明:中、低亚声速范围内,仿生机翼的最优后掠角随马赫数变化曲线的波动程度大于传统单段式机翼;内、外段机翼展长比例对气动特性及最优变形规律影响较大,选则合适的比例可以有效减小最优机翼后掠角及对应的迎角变化曲线的波动程度。     

变展长战术导弹非定常气动特性研究

以某轴对称基准弹为模型,通过数值模拟对其进行了准定常和非定常气动特性研究,探索可变翼飞行器在变展长过程中的非定常气动特性。结果表明:在弹翼连续变展长的过程中,非定常气动特性曲线在对应的准定常气动特性曲线周围形成滞回环,若来流马赫数增大,则滞回环变小。当来流为超声速时,轴对称基准弹飞行迎角和变形周期对其非定常气动特性影响较小,而非定常气动特性并不显著,接近于准定常气动特性,在可变翼飞行器设计过程中可以忽略不计;当来流为亚声速时,展长变化对非定常气动特性有一定的影响,不能忽略。     

可变形翼战术导弹气动特性研究

为进一步拓宽现有战术导弹的性能包线,通过工程估算及实验数据校核,分析了一类典型轴对称基准弹的纵向气动特性.然后,分别针对变后掠角弹翼与变翼展弹翼,研究了这两种可变形翼导弹的升力、阻力及静稳定度特性,揭示了弹翼变形对全弹气动特性的影响机理.最后,根据不同变形方式的气动计算结果,提出一种可在导弹飞行过程中同时改善其升力及阻...     

基于CFD的变后掠翼单速度最优后掠角预测模型

为延长飞行器续航时间,探索变后掠翼飞行器控制规律,根据新型变后掠翼飞行器模型,探究了通过飞行器速度及迎角来控制弹翼后掠角度,以达到最优气动性能,从而使该飞行器获得更长续航力.选取飞行马赫数为0.4～0.8、前缘后掠角度为15°～45°内的39个关键点,在迎角为0°～14°范围内进行CFD仿真,将仿真结果在不同数学模型下...     

基于CFD的最优变后掠规律研究

为了探寻变后掠翼飞行器最佳后掠角的变化规律,基于计算流体力学计算技术,对变后掠翼身组合体进行了气动计算,结合遗传算法对计算结果进行全局寻优,探索最优变后掠规律.首先基于变后掠飞行器设计的要求与方法,建立了“旋转式”变后掠翼身组合体三维模型;其次通过在宽广速域绕流流场的CFD数值模拟,得到了气动数据;最后结合遗传算法对气动数据进行全局寻优,得出了升阻比最佳的后掠角变化规律.仿真结果表明,采用遗传算法对变后掠飞机最佳后掠角进行全局寻优,可以得到合理的最佳后掠角变化规律曲线:在亚声速速域内随着速度的增大,为了降低诱导阻力,提高升阻比,最优后掠角平缓增大;在跨声速速域内,为了延缓激波阻力的形成,最优后掠角急剧上升.     

巡航导弹总体参数优化方法研究

提出了巡航导弹总体参数优化方法,并建立了用于喷气式巡航导弹总体设计的综合模型及相应的计算机软件。该方法以巡航导弹的发射质量最小为目标,以最大速度、最大稳定盘旋过载、单位剩余功率、最大射程为设计约束,对弹翼面积、弹翼展弦比、弹翼尖削比、弹翼后掠角及弹翼平均相对厚度进行优化。     

翼根整流对串置式前掠翼气动特性影响研究

为了综合发挥前掠翼和串置翼的气动力优势,提出一种串置高速前掠翼身组合基本模型,分别施加细边条和小填块以研究翼根整流影响。采用雷诺时均法和SST k-ω模型,对模型亚跨声速粘性流场进行数值仿真,分析纵向气动力特性和整流机理。结果表明:在来流马赫数0.8和迎角-5°～45°条件下,因前后翼气流相互作用,基本模型前翼升力系数大于后翼升力系数;前后翼翼根前同时加装小填块后,大迎角下模型翼根区域流动有所改善,但升阻特性变化不明显;加装边条后,翼根区域流动改善明显,迎角45°时模型最大升力系数提高了5.26%。     

平面形状对MAV气动特性的影响

通过风洞测力实验研究了平面形状(后掠角)对展长/根弦长之比为1.0的机翼的气动特性的影响,实验结果表明,模型后掠角在很大程度上影响小展弦比机翼的气动特性,当模型后掠角Λ≤35°时,能增大模型的最大升力系数和失速迎角,推迟失速;当模型后掠角Λ=56°~64°时,能得到较好的升力曲线,改善机翼的失速特性。此外,实验结果表明模型前缘背风面倒角与迎风面倒角相比,有效地提高了模型的最大升阻比和失速后的升力系数。     

基于当地变量的横流转捩预测模型的研究与改进

Langtry和Menter提出的转捩预测模型需要改进以具备预测横流转捩的能力。当地变量Helicity参数可以指示边界层内的横流信息,因而可用来构造适用于复杂构型以及当代计算流体力学(CFD)并行计算的横流转捩预测模型。实现了基于Helicity参数的横流转捩预测模型,对于后掠角为45°的NLF(2)-0415无限展长后掠翼,模型能够预测不同雷诺数对横流转捩的影响,但是对6:1椭球的横流转捩预测结果与试验数据相差较多。针对实现的横流转捩预测模型的缺点,考虑横流速度因素进行改进。横流速度的求解经过简化近似可以当地求解,因而保证了改进的模型完全基于当地变量的优势。采用改进后的横流转捩预测模型分别对NLF(2)-0415机翼、6:1椭球以及DLR-F5机翼进行数值模拟,并与试验数据进行对比分析,结果显示改进后的横流转捩预测模型可以较为准确地捕捉横流转捩现象。     

双滑轨式机翼前掠机构设计

为了满足变体飞机在气动和结构方面的要求,基于变前掠翼布局,提出一种双滑轨式的翼身连动机构,使飞机气动布局可以在平直翼、前掠翼、三角翼之间自由转换。首先,通过结构框图和三维模型图对双滑轨式翼身连动机构进行了总体概述;其次,对设计过程中的具体问题进行了说明;最后,从功能实现和结构设计两个方面对双滑轨式翼身连动机构和传统单转轴式翼身连动机构进行了对比分析。双滑轨式翼身连动机构可以较好地满足气动外形变化的要求,并且,在同等条件下使翼根处载荷减小35.6%,转轴处载荷减小7.2%。因此,本方案可以作为变体飞机设计过程中的一种参考方案。     

变后掠变展长翼身组合体系统设计与特性分析

为了探索可变形飞行器气动、结构和控制关键技术,在可变后掠角及展长的翼身组合体风洞试验模型系统设计与特性分析方面开展了研究。系统设计包括总体方案设计、近似理论分析与计算流体力学(CFD)数值模拟、结构与控制技术集成;特性分析包括结构特性、控制特性、定常与非定常气动特性的测试及其分析。结果表明:大尺度变形能显著改变飞行器的升力、阻力和升阻比等气动特性,进而使可变形飞行器能适应多种环境和任务,因而在全飞行周期中比传统固定外形飞行器具有更优的性能。     

后掠翼边界层横流不稳定转捩预测模型

通过对经典Falkner-Skan-Cooke三维边界层相似解的理论分析和数值求解,结合二维边界层转捩判据的思想,采用由试验数据标定的C1准则关系式求解横流不稳定转捩位移厚度雷诺数,建立了针对固定前缘后掠角机翼的横流转捩判据,并且通过方程求解和数据拟合得到了该转捩判据的数学结果.应用该模型对30°前缘后掠角的ONERA-M6机翼和45°前缘后掠角的NLF(2)-0415无限展长机翼进行了横流不稳定转捩数值模拟.模拟结果显示:改进后的转捩模型预测所得到的转捩位置精度较高,均与后掠翼横流试验数据吻合较好,从而证明了构建的横流不稳定转捩判据的合理性和实用性.      

变后掠角与变翼型厚度机翼的气动特性分析

为了探究变形翼的组合变形对于机翼气动特性的影响，首先，建立不同后掠角、翼型厚度的机翼模型；其次，对模型在宽广速域的扰流流场进行CFD数值模拟；最后，分析了在亚声速下机翼的升/阻力系数、升阻比、流场情况。研究结果表明：后掠角增大会减小升/阻力系数，但升阻比并非总是减小的趋势，速度越高，大后掠角越有优势；翼型厚度增大能够减缓大迎角下升阻比减小的趋势，对后掠角所引起的升阻比变化影响不大，当Ma=0.8时，机翼气动性能较差；同时考虑两者影响时，当Ma=0.8时，大后掠角、小翼型厚度具有较小的阻力系数和较高的升阻比，而小后掠角、大翼型厚度则更适合低亚声速飞行。     

实验中实现"无限展长后掠翼"流场的方法研究

在风洞实验中,为了获得一个近似无限展长后掠翼的三维流场实验条件,必须采用特殊的整流措施,修正洞壁对流场的干扰。对于小展弦比模型的实验,可以通过在两侧洞壁附加衬垫来修正洞壁干扰。本文基于CFD技术,研究了采用无限展长后掠翼空间流线拟合的方法设计洞壁衬垫。数值模拟结果表明,采用流线拟合设计的衬垫能够有效地修正风洞侧壁对流场展向分布的影响,得到近似无限展长后掠翼的流场。     

剪切式变后掠翼气动特性分析

为了探索变后掠翼飞机在不同飞行状态下保持最优飞行性能的问题,采用一种剪切式变后掠翼的变后掠方式,通过改变机翼后掠角但并不改变翼型来实现实时最优飞行。建立了四组不同后掠角的翼身组合体,并对其进行了宽广速域的扰流流场数值模拟,分析其在不同迎角和马赫数下的气动特性,最后得出最优后掠角变化规律。仿真结果表明,剪切式变后掠翼能显著改善飞机升力、阻力和升阻比等气动特性,使可变形飞机能适应多种环境和任务,在全飞行任务周期内相对固定翼飞机具有更优的性能。     

双三角翼及其翼身组合的滚转运动特性比较研究

采用Navier-Stokes方程与滚转运动方程耦合计算方法,比较研究了不同后掠角的双三角翼和翼身组合体的滚转运动特性,分析了机翼前缘后掠角及细长机身对非定常滚转力矩时滞环、动态流场结构和物面瞬时压力分布的影响。研究结果表明：主翼迎风面上的融合涡能量在80°/60°双三角翼上耗散较小,而在76°/40°双三角翼上耗散严重,这是造成两模型滚转力矩稳定性与时滞特性差异的主要因素;机身对气流的扰动作用,大幅增强了滚转力矩的线性分量;机身对气流的上洗作用,增强了边条涡与融合涡吸力及其时滞性,同时加剧了主翼背风面的两涡干扰;大滚转角时机身对横流流动的干扰,使得主翼背风面压力分布的时滞差异显著增加。该研究结果有助于认识后掠角与细长机身影响双三角翼滚转运动特性的物理机理。     

基于双向流固耦合的柔性扑翼变形数值研究

通过研究柔性扑翼变形、惯性力及气动力的相互关系和作用机理,为扑翼飞行器的设计提供参考。在考虑扑翼运动特点的情况下,发展了一种求解雷诺平均N-S方程和结构动力学方程的双向流固耦合数值方法。对柔性翼惯性力方程进行改进,使其更方便与气动升力进行数值对比。针对柔性翼变形研究的困难性,提出了一种通过全翼面应变去分析柔性翼变形的方法。研究结果表明:柔性翼的扑动频率对惯性力和气动升力的影响程度较为一致;柔性翼应变主要集中在前缘和翼根周围,随着远离前缘和翼根,其应变值逐渐减小,应变一定程度上可以反映柔性翼的弦向变形;柔性翼变形导致推力在整个周期上的主要方向为正,能够显著提升扑翼飞行能力。     

基于ALE流固耦合方法的刷式密封泄漏特性理论与实验研究

现有刷式密封流固耦合求解模型因刷丝变形接触导致网格畸变而难以计算。本文提出了基于ALE (Arbitrary Lagrange-Euler)流固耦合方法考虑刷丝变形接触的三维瞬态双向流固耦合求解模型,设计搭建了刷式密封泄漏特性和可观测刷丝运动轨迹的实验装置。实验研究了刷式密封刷丝运动状态对泄漏特性的影响,不同压比条件下的泄漏特性变化规律,在验证刷式密封流固耦合求解模型准确性基础上,数值分析了不同时刻刷式密封速度分布与刷丝运动状态,并研究了不同结构参数对泄漏特性的影响规律。研究结果表明:基于ALE流固耦合方法解决了传统刷式密封求解模型因刷丝变形接触导致网格畸变而难以计算的问题,可准确计算刷式密封流场特性和力学特性;刷式密封刷丝吹下效应会降低泄漏量,刷丝颤振现象主要发生在气流入口处的前排刷丝域,会引起泄漏量增大,在气流力作用下,刷丝束轴向厚度变小,有利于减小泄漏量;在本文研究条件下,刷丝固定端与自由端的中间部位最先发生变形,随着时间的变化,气流速度逐渐趋于稳定,最大速度出现在末排刷丝与后挡板接触位置,刷丝自由端变形最大;刷式密封泄漏量随径向密封间隙的增大而增大,与径向密封间隙0mm时相比,径向密封间隙0.2mm时泄漏量增加了51.6%～62.8%。随着刷丝排数的增大,泄漏量逐渐减小,当刷丝排数大于25排时,其对泄漏量影响较小。随着刷丝间隙、刷丝与后挡板之间的轴向间隙、后挡板保护高度的增大,泄漏量先逐渐增大后趋于平缓。     

前缘后掠式栅格翼升阻特性研究

栅格翼阻力大的缺点一直是需要解决的问题,前期研究显示,栅格翼翼面后掠能有效减小超声速阶段的波阻。本文采用数值计算的方法,对栅格翼前缘不同后掠方式、后掠角度及前缘后掠贴体型栅格翼进行了分析研究,数值结果显示栅格翼前缘后掠能有效减小波阻,其中栅格格间交接点为尖点的后掠方式减阻效果更好;栅格翼前缘后掠角度对其升力特性的影响较大,主要体现于对栅格内部气流壅塞现象的改善方面;和背风面为平面的栅格翼相比较,前缘后掠贴体型栅格翼的升阻特性表现更优。     

钛合金超塑成形/扩散连接弹翼结构设计

钛合金超塑成形/扩散连接弹翼结构是一种新型的弹翼结构形式,本文以某型空空导弹弹翼结构作为实例,对钛合金超塑成形/扩散连接最常见的4层网格结构弹翼进行了力学分析。采用有限元软件,对弹翼成形的板料厚度,纵、横加强梁的分布对弹翼结构的刚度和强度影响规律,以及安装区部位的变形和应力进行了计算和对比,获得了弹翼最优布局方式和不同因素对弹翼变形、应力的影响规律。在满足超塑成形/扩散连接工艺和弹翼重量情况下,缩小网格尺寸,提高纵、横加强梁的数量,有助于减小结构的变形、应力水平。对弹翼颤振分析、结构试验提出了设计要求和实现方法。