翼吊短舱构型运输机排气系统干扰阻力确定方法研究

在飞机/发动机一体化设计过程中,发动机内/外涵道排气尾流在内涵道中心尾锥、吊挂及相近的机翼机身表面形成的阻力为排气系统干扰阻力,该阻力对升阻极曲线的修正至关重要。然而,国内飞机/发动机设计部门对该阻力的确定方法都没有予以明确考虑,为了解决该问题,本文以某翼吊短舱构型运输机为研究对象,根据前期飞行试验结果,开展了不同飞行高度、不同飞行马赫数及不同排气系统状态下的数值计算,建立了排气系统阻力增量的确定方法。结果表明,飞行马赫数及发动机状态改变会引起短舱后体及吊挂作用力的明显变化,机翼与机身作用力增量的改变为相对小量,飞行高度对相关阻力系数没有影响。     

进排气对尾吊短舱布局飞机气动特性影响研究

在尾吊短舱式布局飞机设计中,发动机进排气对其他部件的气动影响是需要关注的重要问题,为了全面研究发动机进气与喷流对全机气动特性的影响,在某尾吊舱短舱布局飞机巡航条件下(H=11 000m、Ma=0.78)对流场开展了数值仿真研究,重点分析了短舱通气模型与带进排气模型的全机升阻力特性及流场分布情况。计算结果表明:采用近距尾吊短舱布局的飞机,发动机进排气对全机气动特性的影响主要体现在短舱与机翼的气动干扰方面,在所研究的迎角范围内(-2°～8°),发动机进气所带来的抽吸作用改变了机翼及短舱表面的压力分布,使得机翼上表面的负压区面积增大、短舱上唇口激波强度减弱,导致全机升力系数增加、阻力系数减小、升阻比提高,但这一气动特性的改善趋势随着迎角的增大而逐渐减缓。     

基于 CFD 和推阻分解技术的全机溢流阻力预测与分析

飞机在飞行过程中,根据性能需求,需要不断调整发动机活门流量系数,因此发动机短舱唇口的压力分布形态会发生很大变化,前方外流作用于进气道内流管上的合力也将改变,从而引起溢流阻力变化。本文基于某型号飞机,结合 CFD 动力模拟和推阻分解方法,获得不同流量系数下的溢流阻力,并分析流量系数、马赫数、高度、迎角对溢流阻力的影响。溢流阻力预测方法和影响研究可为飞机/涡扇发动机一体化设计、大涵道比短舱设计和气动力预测提供参考。     

动力干扰下宽体客机机翼多目标优化设计

在机翼/机身/吊挂/动力短舱（WBPN）构型中开展了宽体客机机翼外形多目标优化设计。通过对动力短舱流场的动量积分，分析了直接用壁面积分"阻力"作为机体外形减阻优化设计目标函数的合理性。计算研究了短舱/吊挂的安装，以及发动机喷流对翼吊布局宽体客机机翼的干扰作用，展示了同时在安装效应和喷流干扰下设计机翼外形的重要性。运行搭建于超级计算机上的优化系统，求解雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程计算流场，实现了动力干扰下机翼外形的三点三目标优化设计。在80 h内，完成了近20 000个方案的计算评估，遗传优化近40代。所选的最优方案阻力发散性能明显提高，自动优化后的人工修形设计使机翼剖面展向过渡和压力分布形态更为理想。动力构型下取得的减阻效果，在通气短舱构型下亦得到验证和确认。     

翼身融合背撑发动机布局的动力短舱设计

为了解决翼身融合（BWB）背撑发动机布局的飞机-发动机流动干扰问题,依据BWB流场特征,提出背撑式动力短舱设计思想：采用轴对称短舱,结合可以减小短舱外部流动对机体影响的外罩型面和满足进气效率要求的进气道型面设计。基于本文构建的动力短舱参数化建模方法和多点优化设计方法,开展兼顾内外流的短舱综合优化设计研究,最后对设计方案安装状态流场进行分析。结果表明：提出的设计方法可以给出具有不同内外流气动特性、满足BWB背撑式发动机动力短舱多点设计要求的设计方案,巡航状态短舱外表面和全推力状态进气道最大马赫数最大可减小8.35%和11.81%,优化结果在最大推力和侧风起飞状态也具有良好的进气道性能;动力短舱安装状态消除了高速巡航飞行状态下短舱和机体之间的强激波和后体流动分离,低速大迎角状态机体外流能够为发动机提供均匀稳定的进气,进气道总压恢复系数满足设计要求。     

翼吊短舱形式运输机进气道阻力特性分析方法研究

为了解决飞机/发动机一体化设计中进气道阻力确定的问题,以典型带动力装置运输机为研究对象,建立了其三维实体模型,开展了不同飞行高度、不同飞行马赫数及不同发动机状态的数值计算。根据计算结果,建立了进气系统阻力增量的确定方法,总结了附加前体力与短舱前罩力随捕获面积比、飞行高度、飞行马赫数的变化规律。结果表明:在AGARD-CP-150中的推力/阻力体系划分方法基础上,发动机状态及捕获面积比的改变会引起进气道阻力变化,飞行高度对短舱前罩力及附加前体力系数没有影响。     

翼吊布局长涵道发动机短舱气动布局优化研究

采用CFD数值计算的方法,对翼吊发动机长涵道短舱相对于机翼的前伸量和下沉量进行优化分析.分析了发动机短舱不同前伸量、下沉量时,飞机在高速巡航状态的干扰阻力和升力损失,以及满足低速平飞最小可用升力下,大迎角状态的失速特性,并计算分析了马赫数对优化结果的影响.计算结果表明,前伸量X/C =0.1时,干扰阻力及升力损失较小;...     

高雷诺数下跨声速自然层流短舱优化设计

为解决高雷诺数下大涵道比发动机自然层流短舱高维优化设计问题,提取短舱3个基准面实现轴对称自然层流优化设计。通过获得较大范围层流区域,从而降低短舱表面摩擦阻力。采用类别形状函数（CST）参数化、γ-Re_θt转捩模型和遗传算法建立自然层流（NLF）短舱自动优化流程。表明通过优化短舱基准面建立三维NLF短舱设计方法的可行性。进而通过CATIA二次开发构建三维非轴对称NLF短舱,解决了基准面优化后大量数据点的高效导入和曲面生成问题。针对设计的非轴对称NLF短舱,进行了设计点附近迎角、侧滑角、来流马赫数以及湍流度的转捩敏感性分析。结果表明:跨声速状态下,迎角增大层流范围减小;来流马赫数增大层流范围扩大;侧滑角和湍流度对层流范围影响很小。      

翼吊布局民机短舱位置气动影响

高涵道比发动机使得飞机/发动机近距耦合,造成气动力特性恶化。本文使用CFD方法对孤立通气短舱、某型民机机翼/机身组合体以及机翼/机身/短舱组合体构型进行黏性绕流数值模拟,分析流场特征,得出短舱安装干扰阻力水平;分别改变短舱安装的前伸量、下沉量、俯仰角、内撇角等参数,研究短舱不同在翼位置对高速巡航升阻特性的影响,支持短舱在翼位置气动优化。     

动力短舱多点气动优化设计

跨声速发动机短舱的设计过程十分复杂,其设计往往需要在相互矛盾的设计要求中进行权衡。本文针对带动力短舱多点气动设计问题,采用类别形状函数变换法（CST）进行几何外形参数化,结合Kriging代理模型、Pareto遗传算法和松散式代理模型管理框架,构建了动力短舱多点优化设计平台。在巡航状态,优化目标是降低短舱外表面最大马赫数使短舱阻力减小,提高外流性能;在最大推力状态,优化目标是降低进气道最大马赫数使进气品质提升,提高内流性能。与初始短舱相比,优化设计结果在两个设计点性能上均有所提高,最大马赫数在巡航状态最多降低5%,而在最大推力状态最多降低10%。参数影响规律表明,短舱头部参数对外流和内流性能影响较大,且影响规律不同,应作为短舱综合优化设计的主要参数,并采用不同的优化设计策略。Pareto前沿阵面可以给出满足不同工程设计要求的最优方案。研究结果表明,本文建立的优化设计平台为动力短舱设计提供了有效工具,优化设计结果具有工程参考价值。     

伴随压力分布反设计方法在大型客机气动优化中的初步探索

从工程应用角度出发,对离散伴随压力分布反设计优化方法在宽体客机机翼设计中的应用进行了研究。提出了三维构型伴随压力分布反设计与伴随优化相结合的优化设计思路,促进了离散伴随气动优化设计方法的工程化。首先,针对CRM机翼构型进行了三维压力分布反设计,验证了离散伴随压力分布反设计在三维问题中的准确性和高效性。其次,应用提出的新的优化设计思路,在某宽体全机构型两点气动优化结果的基础上,引入压力分布反设计约束方法,改进了机翼压力分布和低马赫数的阻力蠕增特性,并取得了不错的减阻及阻力发散特性提升效果,提升了优化构型的工程适用性。     

现代超临界翼型设计及其风洞试验

开展了现代超临界翼型的设计研究,对现役飞机的压力分布形态进行了分析,针对现役飞机在巡航状态和阻力发散点的压力分布进行对比,提取了现役飞机超临界剖面设计的要点。采用类函数/型函数变换(CST)参数化方法、基于二阶震荡及自然选择的随机权重混合粒子群算法(RwSecSelPSO)、雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程、Kriging代理模型结合定期望值型的目标函数建立了优化设计系统。针对提高阻力发散马赫数和降低巡航低头力矩的设计指标,利用优化设计系统通过调整目标期望值设计了一系列满足设计指标但阻力发散马赫数不同的超临界翼型,并选择了其中具有典型特性的翼型进行了对比分析,验证了提高阻力发散马赫数和低速失速特性的设计方法,指出了在阻力发散点形成平顶形压力分布的超临界翼型具有较好的综合性能。对设计的超临界翼型进行了高、低速风洞试验验证,试验结果表明:设计结果达到了设计指标要求,提出的低速改进方案有效,层流对超临界翼型失速特性影响较大。     

倾转旋翼机多部件对机翼气动干扰的分析及优化

为研究倾转旋翼机各部件对机翼的气动干扰效应,建立了一套适用于倾转旋翼机流场CFD求解方法,提出并生成了一套由三棱柱/四面体组成的适用于倾转旋翼机多种飞行状态的非结构混合网格系统.以三维Navier-Stokes方程为主控方程,采用动量源方法进行倾转旋翼的模拟,并引入了高效的OpenMP并行加速技术等,提出了一套新型的动量源项添加及搜索方法.计算分析了倾转旋翼机旋翼/机身/短舱对于机翼气动特性的干扰影响,得出了一些对设计有指导意义的结论.采用基于径向基函数（RBF）的代理模型方法,根据机翼不同展向位置的干扰程度对各段翼型配置进行气动优化.优化结果表明:考虑气动干扰作用,在巡航速度下优化后的全机升阻比增长达到了36.78%.      

Pressure distribution guided supercritical wing optimization

Pressure distribution is important information for engineers during an aerodynamic design process. Pressure Distribution Oriented (PDO) optimization design has been proposed to introduce pressure distribution manipulation into traditional performance dominated optimization. In previous PDO approaches, constraints or manual manipulation have been used to obtain a desirable pressure distribution. In the present paper, a new Pressure Distribution Guided (PDG) method is developed to enable better pressure distribution manipulation while maintaining optimization efficiency. Based on the RBF-Assisted Differential Evolution (RADE) algorithm, a surrogate model is built for target pressure distribution features. By introducing individuals suggested by sub-optimization on the surrogate model into the population, the direction of optimal searching can be guided. Pressure distribution expectation and aerodynamic performance improvement can be achieved at the same time. The improvements of the PDG method are illustrated by comparing its design results and efficiency on airfoil optimization test cases with those obtained using other methods. Then the PDG method is applied on a dual-aisle airplane’s inner-board wing design. A total drag reduction of 8 drag counts is achieved.     

旋翼翼型多目标多约束气动优化设计

为了克服传统旋翼翼型优化设计方法的不足,发展了一种基于Kriging模型与遗传算法的旋翼翼型多目标多约束气动优化设计方法。采用基于雷诺平均Navier-Stokes方程的数值模拟获得样本翼型气动性能,并建立目标函数和状态函数的Kriging模型,采用遗传算法搜索Kriging模型最小值和相应的EI(Expected Improvement)函数最大值,更新Kriging 模型直至找到满足约束的最优翼型。运用加权目标函数法进行了旋翼翼型的多设计点优化设计。优化结果表明,优化后旋翼翼型在满足约束的同时,与基准旋翼翼型OA209相比:在悬停状态下,阻力系数下降了2.1%;在机动状态下,最大升力系数提高了4.2%;在前飞状态下,阻力系数在不同马赫数下均有所减小。     

Drag prediction method of powered-on civil aircraft based on thrust drag bookkeeping

A drag prediction method based on thrust drag bookkeeping(TDB) is introduced for civil jet propulsion/airframe integration performance analysis.The method is derived from the control volume theory of a powered-on nacelle.Key problem of the TDB is identified to be accurate prediction of velocity coefficient of the powered-on nacelle.Accuracy of CFD solver is validated by test cases of the first AIAA Propulsion Aerodynamics Workshop.Then the TDB method is applied to thrust and drag decomposing of a realistic aircraft.A linear relation between the computations assumed free stream Mach number and the velocity coefficient result is revealed.The thrust losses caused by nozzle internal drag and pylon scrubbing are obtained by the isolated nacelle and mapped on to the in-flight whole configuration analysis.Effects of the powered-on condition are investigated by comparing through-flow configuration with powered-on configuration.The variance on aerodynamic coefficients and pressure distribution is numerically studied.     

基于遗传算法的低雷诺数高升力翼型的优化设计

利用遗传算法进行低雷诺数高升力翼型的气动优化设计,优化后的翼型其气动特性有明显改善,从而表明利用遗传算法进行翼型气动优化的可行性.在优化设计过程中翼型由解析函数线性叠加法表示,并对设计翼型进行了升力系数和阻力系数的气动计算,以提供目标函数和个体的适应值.     

基于机翼气动设计准则的超临界机翼气动优化研究

 机翼的气动特性决定了一架飞机的经济性、安全性、舒适性以及环保性,而机翼的气动设计问题十分复杂,需要满足合理的机翼气动设计准则,才具有工程实用价值。基于计算机辅助工程(CAE)的机翼优化设计方法需要较少的人力成本,但无法保证气动设计准则得到满足,其结果仍需大量的后续修改工作。因此,当前实际工程应用中,机翼的设计仍然在很大程度上依赖于设计人员的经验,需要大量的人力。为了提高机翼优化设计结果的工程实用价值,进而减少后续人工设计工作量,提高机翼气动设计的效率。首先对机翼表面压力分布进行分析;然后根据机翼气动设计准则,在传统升阻特性目标函数的基础上,构造新的目标函数;最后将这个新的目标函数代入优化过程。研究结果表明:升阻特性难以全面地描述机翼的气动特性,以其为目标函数无法保证设计结果满足气动设计准则,不具工程实用价值;而根据机翼气动设计准则构造的目标函数能够在优化过程中保证设计准则得到满足,有效提高设计结果的工程实用价值;同时,与传统直接以升阻特性为优化目标的优化过程相比,该方法引入的额外计算量可以忽略不计。