飞机尾流的快速建模方法

尾流的强度主要由飞机的飞机重量、飞行速度和机翼形状所决定和仿真尾流的保守被动模型可很好的描述尾流系统中水蒸汽、位温等保守被动量的运动演化规律,但这种参数仿真时间长、对计算机要求高,不能实时预测任一机型所产生的尾流的状态分布特性.为此提出了一种尾流的快速建模方法,很好的解决了以往尾流实时仿真时的缺点,为飞机飞行过程中实时预测前机尾流的影响区域提供理论依据,从而减少尾流事故的发生.      

某航空事故下的尾流遭遇与风险分析

为了提高空域飞机运行效率,降低客机延误率,研究飞机尾流以精确划分尾流间隔是很有必要的。对比了国内外现行的尾流间隔标准,梳理了尾流造成的航空事件,列举了典型的尾流事件,并依据库塔-茹科夫斯基定理和毕奥-萨伐尔定律对尾流事件进行了求值计算,得到了尾流强度、初始下降速度和间隔时间。最后根据相应数据确定了尾涡简化包线以及尾流危险区,依据尾流事件和相关参数整体划分了飞机遭遇尾流的程度,并进一步合理预测了尾流所造成事件的严重性。     

风力机远尾流的计算研究

基于工程上广泛使用的Park模型构造了一种新的远场尾流计算模型,同时又提出了一种CFD与制动盘理论相结合的方法对单个风力机远尾迹区的流动状况进行了数值模拟.新的尾流计算模型是由一维Park模型进行三角函数修正得到的,CFD方法是结合制动盘理论使用FLUENT提供的Fan边界数值求解整个尾流流场.给出了单台风力机尾流中风轮中心的轴向速度分布以及风力机下游不同位置处的径向速度分布,并与风洞实验结果以及Park模型的计算结果进行分析对比,表明本文的两种计算方法都能够较好地捕捉尾流的流场特性.由于新的远场尾流计算模型较之原Park模型能够更准确地反映径向尾流分布,且计算量非常小,因此可作为工程开发的有效工具.制动盘理论结合CFD的方法也能够在计算量相对较小的情况下,准确的反映远尾流的流场信息,这两种方法都可为风场微观选址和风力机排布提供参考依据.     

基于CFD的拖锥管路最佳长度确定方法研究

本文提出了一种基于CFD分析的拖锥管路最佳长度确定方法。此方法是在分析拖锥重量、阻力以及拖锥管路力学特性后,利用CFD分析飞机在各试验状态下尾流的分布情况,确保拖锥不在湍流区域内,从而得出各试验状态下拖锥管路的最佳长度。该计算方法在ARJ21-700飞机的拖锥管路最佳长度确定时得到应用,计算结果与飞行试验结果吻合,表明了该方法计算精度高且能有效缩短试验周期。     

基于参数辨识的水配重重心调配系统验证方法研究

水配重重心调配系统可实现飞机重心的快速调节,完成试飞科目中对重心的要求。本文以国内某型飞机为例,根据罐内水量的分布计算飞机相应状态的惯性数据,并在此基础上,进行气动特性建模及参数辨识,得到飞机的气动导数。通过公式推导,利用辨识得到的气动导数计算出不同重心的增量,与水配重系统的理论值进行对比。计算结果表明,参数辨识方法的重心增量计算结果准确度高,可以作为一种检验水配重系统工作是否正常的有效手段,进而保证飞机试飞的安全。     

侧向风速对飞机尾流运动的影响

为了使机场雷达能实时探测和定位飞机尾流,对飞机飞行环境进行合理假设后提出了一个仿真尾流的保守被动模型,该模型能很好地描述尾流中水蒸气等物质的运动演化规律。综合考虑大气环境中风速对尾流的影响,利用该仿真模型对尾流进行了实时仿真,得到了不同侧向风速情况下,不同时刻尾流的状态分布等重要特性。通过分析侧向风速对飞机尾流运动过程的影响,证明了当侧向风速为1.0~3.0 m/s时是最危险的,所得结论可为飞机飞行过程中避免尾流的影响提供理论依据。     

纵向尾流间隔计算方法研究

综合考虑了飞机的速度、翼展、机翼面积、发动机推力等参数,应用空气动力学中的环量计算理论、尾流消散原理等,将动量定理和涡阻力的计算原理应用到尾流间隔的计算,分别建立了纵向尾流间隔计算模型。采用实际数据计算验证模型的正确性。     

基于最佳环量分布的螺旋桨滑流影响预测

为了更加快速且准确地预测螺旋桨滑流对机翼气动系数的影响,提出了基于最佳环量分布并结合激励盘数值模拟技术实现螺旋桨滑流影响预测的方法,选择Prandtl最佳环量分布解析法并在此基础上提出了一种桨毂修正办法,从而得到桨盘的最佳环量分布解析式。将采用不同方法计算螺旋桨压力阶跃分布作为激励盘模型的边界条件,采用CFD数值模拟得到了一种典型的桨-翼组合体的气动参数。结果表明,本文提出的修正方法预测结果更接近于试验数据,升力系数的相对误差不超过3%,阻力系数的相对误差不超过20%。这种方法具有不依赖试验数据、低计算资源消耗的优势,对飞机概念设计初期快速确定螺旋桨滑流对机翼气动系数的影响方面具有优势。     

飞机飞行载荷的简化计算方法研究

飞行载荷分析是一项复杂而繁重的工作,研究一种适用于方案设计阶段飞行载荷的快速分析方法,对于提高飞行载荷的计算效率具有重要意义。基于小扰动线性分析理论,归纳翼身气动载荷、平尾气动载荷、垂尾气动载荷、舵面铰链力矩的理论计算方法,以及升力面的气动载荷分布、惯性载荷分布、剪力和弯矩的工程计算方法。针对某型单座竞技飞机的飞行载荷,以外形尺寸、质量特性和气动导数作为输入,通过Matlab 仿真分析,得到各个部件的气动载荷、惯性载荷、舵面铰链力矩、剪力和弯矩等参数响应。结果表明：该简化方法能够根据较少的输入数据快速求解出各个动力学参数,计算结果可以作为方案设计阶段结构设计的载荷输入。     

ARJ21飞机遭遇不同前机尾流的响应和安全性研究

为研究在实际飞行中国产ARJ21飞机遭遇前机尾流时受到的气动力、力矩及飞行安全问题，基于经典尾涡模型和空气动力学响应模型，对ARJ21飞机遭遇尾流的响应和安全性进行了分析。首先，通过尾涡耗散模型和速度模型，建立了不同前机尾涡速度场；然后，根据ARJ21飞机空气动力学响应模型进行求解，得到其升力和滚转力矩；最后，将计算结果与过载增量指标和滚转力矩系数指标进行比较，分析了国际民航组织(ICAO)规定的中型机尾流间隔下ARJ21飞机的飞行安全性。研究结果表明：当ARJ21飞机以ICAO规定的中型机尾流间隔遭遇尾流时，过载增量均小于0.15(即处于无颠簸状态),最大滚转力矩系数均小于0.048;当滚转力矩系数在0.048～0.070时，相比于ICAO规定的中型机尾流间隔，ARJ21飞机跟随中型机的尾流间隔可以缩减2.2～2.7 km,跟随重型机的尾流间隔可以缩减0.7～1.8 km,跟随超重型机的尾流间隔可以缩减2.4～3.4 km。     

近地低速飞行时旋翼尾涡系的畸变及其诱导速度

本文用一简化自由涡模型模拟旋翼尾涡系,用一简单涡模拟地面涡,对近地低速飞行时旋翼尾涡系的畸变及其引起的诱导速度变化作了研究。在地面涡和地面的影响下,桨盘附近的尾涡几何位置发生很大变化,导致桨盘处的诱导速度发生很大变化。尾涡畸变在桨盘处引起的诱导速度变化远远大于地面涡和地面在桨盘处直接产生的诱导速度。考虑尾涡畸变后计算出的诱导速度在桨盘处的分布和实验符合很好。     

动态尾涡间隔计算工具的开发与实现

基于建立的尾涡消散模型、运动模型、遭遇模型,以Delphi 7.0为平台,采用面向对象的设计思想,开发了动态尾涡间隔计算工具,包括前机诱导尾涡流场计算、后机遭遇响应过程分析、安全间隔计算等功能模块。根据输入的飞机参数、气象数据、机场数据,实现对尾涡间隔的实时、高效计算。基于开发的计算工具,以B777-200和B737-800为前后机进行了验证计算。     

Wake-vortex characteristics of military-type aircraft measured at airport oberpfaffenhofen using the DLR laser doppler anemometer

The DLR ground-based cw Doppler lidar was used for experimental investigations of wake vortices generated by military-type aircraft, including fixed-wing as well as rotor-wing aircraft. The measurements were mainly focused on the roll-up phase of the vortices. The experimental data has been analysed regarding vortex structure and circulation, partly also regarding their temporal development. The influence of flight parameters was measured during consecutive aircraft fly-bys. Small variations in the velocity profiles could be observed which were overlayed by the signatures of the variable wind and turbulence field. This problem can be solved on a statistical basis by measuring many cases under the same atmospheric conditions. The influence of aircraft design could be demonstrated by comparison of the vortex signatures of two B707-type aircraft showing pronounced design differences, namely a standard B707 and a AWACS E3A.     

Equilibrium state of trailing vortices: two-dimensional model of a far-field vortex wake

The equilibrium statistical mechanics of a system composed of a large number of two-dimensional point vortices is employed to describe the vortex system shed from aircraft wings. According to this theory, these higher energy states of the vortex system can only be achieved by segregating the point vortices of like kind into two clusters that descend with a constant velocity. The solution is given in terms of the integral constraints for each cluster: total circulation, center of inertia, and kinetic energy. The negative non-dimensional inverse temperature of the system and the length scale related to angular momentum of a single trailing vortex are obtained versus initial interaction energy of the vortex system. Comparison of the theoretical results with available experimental data shows good agreement between the calculated tangential velocity distribution in the trailing vortex and the data. The flow characteristics for three different wing loads are also compared to emphasize the effect of initial circulation distribution along a lifting wing on the vorticity distribution in the equilibrium trailing vortices.     

空中交通中尾流间隔的研究

分析了雷达尾流间隔标准的分类，通过尾流的形成机理和对后机影响的分析，建立了后机的危险遭遇模型和前机的尾流消散模型，给出了在确定的时间间隔下确定尾流危险遭遇概率的方法。     

反弹自消散系统尾涡控制机制研究

为了研究加快尾涡消散的机理,以获得更合理的尾流间隔,进行了壁面反弹实验的数值模拟计算。实验采取在模拟机翼后缘安置反弹面的方法,诱发反弹二次涡与主涡相交出现不稳定性,以加快尾流衰减。数值计算运用N-S方程,对雷诺应力项采用Realizableκ-ε涡粘模型进行计算,分析经二次涡干涉后尾涡轴向涡量衰减、涡核下沉运动等参数的变化,以探究反弹二次涡对飞机主涡消散的演变影响。实验结果表明,反弹涡对主涡衰减有明显的促进作用。该实验为人工干预缩减机场尾流间隔的研究奠定了理论基础。     

基于尾流效应的编队飞行优化分析

针对如何利用前机尾涡的上洗气流来达到减小后机飞行阻力的问题,进行了基于尾流效应的编队飞行优化分析。首先,通过分析后机在尾涡上洗气流中的受力情况,建立了尾流效应相关模型;然后,通过计算诱导滚转力矩系数评估后机飞行的安全性,通过阻力系数的变化判定诱导减阻效果;最后,建立多目标优化评价模型,以后机的安全性和诱导减阻效果为优化目标来确定后机在编队飞行中的最佳位置。研究结果表明,最佳编队位置并不是固定的,飞行高度、飞行速度等外部因素都会对编队飞行中后机的最佳编队位置产生一定的影响。     

Influence of different flap settings on the wake-vortex structure of a rectangular wing with flaps and means of alleviation with wing fins

This paper presents the results of an experimental investigation of the wake-vortex structure behind a flapped rectangular wing. The wind-tunnel test is part of a project funded by the German Research Association (DFG) to investigate the flow structure in the wake of wings with different flap extensions. The purpose of this investigation is to study the main features of lift generated vortices in order to find ways to alleviate hazardous wake vortex encounters for following airplanes during start and approach such that an increase in airport capacity can be achieved. First, the wake structure at different flap settings is investigated by measuring the velocity field at different positions in the near field behind the wing. The measured data are evaluated in terms of vortex parameters such as core radius, maximum tangential velocities, circulation distributions, turbulence levels and maximum induced rolling moments on a following aircraft. Then additionally, for one flap setting, means of alleviation are examined with a wing fin mounted at different positions on the wing. Alleviation is judged by the decrease of the maximum induced rolling moment. A significant reduction is achieved for a wing fin placed near the outboard edge of the flap.     

非定常预处理方法在倾转旋翼飞行器悬停状态气动干扰模拟中的应用

针对倾转旋翼飞行器的多种速度尺度并存的复杂流动问题,发展了能够统一求解同时包含不可压缩流动和可压缩流动的非定常预处理方法和一种考虑了流场物理信息传播方向的预处理远场边界条件。结合适用于倾转旋翼飞行器的复杂外形及大位移问题的非结构混合网格技术和重叠插值技术,建立了倾转旋翼飞行器的数值模拟方法。在此基础上,首先通过悬停算例验证了数值方法的有效性,确定了选择预处理截断参数的原则。然后探究了倾转旋翼飞行器直升机模式悬停状态的尾迹涡结构演化过程,研究了“喷泉效应”和“地面效应”对倾转旋翼气动性能的影响。计算结果表明,旋翼尾迹涡的耗散在不同方位角存在较大差异。“地面效应”抑制了旋翼尾迹的发展,提高了旋翼整个方位角区域的升力系数,而不仅限于机翼上方方位角区域。 “地面效应”作用强于“喷泉效应”作用,使旋翼相对于孤立旋翼拉力系数略微增大了5.26%,但同时整个倾转旋翼飞行器的总的向上的力只有孤立旋翼拉力的82.46%。结论表明预处理方法和预处理远场边界条件能够较好地模拟倾转旋翼飞行器悬停状态的干扰流场,兼顾了数值计算的耗散性和稳定性。气动干扰对倾转旋翼飞行器整体气动性能有重大影响。