基于层流机翼的增升装置设计研究进展

层流机翼的增升装置设计可以起到减阻和降噪的作用。将低阻的层流区域与高效的增升装置相结合,通过采用有效的外形设计和恰当的结构选型,可以实现巡航时层流区域的扩大、起降时增升效果的提升,并显著降低机体噪声。本文根据绿色航空的发展需求,分析了层流机翼和增升装置的技术特征,阐述了在层流机翼状态下增升装置的设计方法,系统地介绍了结构外形、运动机构和辅助装置等的应用现状,在此基础上综述了实现增升装置适应性调整所需要重点研究的技术内容,给出了层流机翼增升装置的未来发展方向和思路。     

超临界机翼飞行验证机的增升装置设计

为进行超临界机翼气动设计技术的飞行验证,将某教练机改装为飞行验证机,为此必须进行增升装置的重新设计。在保持原型机襟翼平面参数和运动机构不变的条件下,完成了验证机增升装置的气动力设计工作。风洞试验表明,改装成功的验证机增升装置具有良好的气动特性。     

微型后缘装置增升效率及几何参数影响研究

 为满足现代大型飞机增升装置简洁高效的设计需求,以典型三段翼型为对象,采用数值模拟研究在后缘襟翼上增加微型后缘装置(mini-TED)以提高增升装置效率的可行性;给出了微型后缘装置的作用原理,获得了微型后缘装置位置、长度、偏度等几何参数对增升和升阻性能的影响规律。研究结果表明:微型后缘装置明显改变了襟翼后缘弯度,对襟翼流动产生有利诱导作用,拓展加长了增升装置的有效"气动弦长",是一种附加气动襟翼。其几何参数设计原则是:以长度l≤1.5%c(c为干净翼型弦长)、位于95%襟翼弦向位置前较为合适;偏度则可根据起降等飞行状态进行选择。与四段及其以上增升装置相比,微型后缘装置具有增升效果显著、结构简单、附加重量小和易于工程实现等优点,是一种极具潜力的新型增升技术,具有深入的研究价值和良好的应用前景。     

小翼羽掠角对机翼增升效果的影响

鸟类会通过抬起其翅膀前缘3至4根长度较短的羽毛（小翼羽）来抑制失速和增加升力,并根据不同飞行状态改变小翼羽与翅膀之间的掠角。为应对大迎角下的机翼失速问题,本文结合风洞测力和粒子图像测速实验研究了小翼羽掠角对机翼增升效果的影响。风洞测力实验结果表明,相比于无前掠的小翼羽,适当前掠的小翼羽对机翼的增升效果更好且不会增加机翼阻力。平面粒子图像测速和体视粒子图像测速实验表明,适当的前掠角能够增强小翼羽产生的前缘涡的强度,并扩大前缘涡增升的有效机翼迎角范围,最终导致适当前掠的小翼羽对机翼的增升效果更好。     

雷诺数对增升装置流动特性影响的计算研究Ⅱ——缝道流动特性

在1×106~30×106的雷诺数范围内,马赫数为0.197的情况下,计算并分析了NHLP-2D多段翼型的缝道流动规律,提出了依据缝道出口速度分布定义名义边界层厚度δ/c的方法。研究发现,δ/c随雷诺数的增大而单调减小,且减小速度随雷诺数的增大而明显减缓,符合雷诺数对边界层的影响规律,说明本文定义的δ/c可用于多段翼型边界层厚度的定量研究。对于缝翼缝道,主翼壁面处的δ/c高于缝翼尾缘处的,且二者随迎角的变化规律相反。襟翼缝道处于主翼的强下洗流场中,襟翼上的δ/c随迎角几乎不变。当1×106≤Re≤2×106时,缝道边界层总厚度δT/c随雷诺数有明显的变化,当Re≥3×106时,δT/c随雷诺数的变化率减小。本文研究范围内,δT/c都没有严格地进入雷诺数自准区。当Re≥15×106时,δT/c随雷诺数接近线性变化趋势,为雷诺数规律的外推提供了参考。     

雷诺数对增升装置流动特性影响的计算研究Ⅰ——气动力特性和汇流边界层

在1×10~630×10~6的雷诺数范围内,马赫数为0.197的情况下,使用数值计算方法研究了雷诺数对NHLP-2D翼型的气动力特性和流动特性的影响。建立的数值模型考虑了汇流边界层的网格处理,与已有试验和计算结果对比分析表明本数值模型可信。计算结果表明,当雷诺数大于1.5×10~7时,雷诺数对气动力系数的影响明显减小,且小迎角下气动力随雷诺数呈线性变化趋势。汇流边界层高度随雷诺数增大而降低,缝翼和主翼产生的尾迹强度随雷诺数的增大而减弱,同时尾迹宽度逐渐减小。在高雷诺数下,襟翼尾缘处仍存在较强的缝翼尾迹,说明尾迹/边界层的相互融合作用随雷诺数增大而减小。本文为后续雷诺数对缝道流动特性的影响研究提供了基础。     

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。     

C型机翼几何参数影响规律和流动机理研究

基于F-4机翼,用CFD方法研究C型机翼几何参数的影响规律和流动机理.以诱导阻力最小为设计原则,获得了C型机翼翼梢几何参数影响的初步规律,揭示了C型机翼减小诱导阻力的流动机理,给出了垂直段和水平段对提高机翼气动性能的贡献.研究表明,C型机翼是一种气动效率高、可用于大型飞机研制的新型机翼.     

基于 LES 方法的增升装置气动噪声特性分析

在气动噪声数值计算中,流场的求解精度对涡流扰动的细节计算以及声学的求解结果有着重要的影响。本文应用 LES 方法对增升装置的流场进行数值模拟,采用可穿透积分面的 Ffcows Wil1iams-Hawkings(FW-H)积分方法进行远场噪声计算。采用圆柱绕流算例对本文的数值计算方法进行了验证,验证结果表明：本文所使用的LES 方法能准确地捕捉到涡脱落、流动分离等非定常流动现象,可为远场气动噪声的计算提供精确的近场流动的数值解;基于 FW-H 的声类比方法能够精确高效求解远场气动噪声。在此基础上,对增升装置噪声产生的流动特性、远场特性、风速影响等进行了数值模拟研究。结果表明：缝翼产生气动噪声的主要原因是,流动在缝翼和主翼之间的凹槽形成的不稳定波以及缝翼钝后缘的小脱落涡;襟翼产生气动噪声的主要原因是,襟翼附近由于流动分离产生的高频的小尺度不稳定涡和低频的大尺度涡。     

翼梢小翼后缘舵面偏转对机翼气动特性影响研究

以大型客机某方案机翼为基本翼,基于N-S方程数值模拟的方法,研究融合式翼梢小翼后缘操纵舵面偏转对机翼空气动力特性影响。研究发现,翼梢小翼舵面偏使得机翼气动特性发生显著变化。一方面,偏转舵面导致了机翼最大升阻比的降低,然而它可以优化不同飞行阶段升阻比。其中,舵面外偏,机翼在阻力增加不大的条件下,升力明显增大,有利于提高起飞、爬升性能;舵面不偏条件下升阻比最大,有利于提高巡航效率;舵面内偏,机翼阻力明显增大,有利于提高飞机着陆性能。另一方面,舵面偏转可以控制机翼翼梢涡的发展,有助于耗散机翼尾涡及激发翼梢涡自身的不稳定性而加速耗散。     

鸭翼-前掠翼气动布局纵向气动特性实验研究

前掠翼布局由于其潜在的优势,在未来战斗机的研制中将占有日益重要的地位.本实验通过可变前掠翼和鸭式前翼布局的风洞测力实验,重点分析比较了平板机翼在不同掠角下的纵向气动性能以及鸭翼的影响.实验结果表明,前掠翼在大迎角时能有效提高模型的升力系数,小迎角时其升阻比也略优于后掠翼.前掠翼布局能有效推迟失速,具有良好的失速特性;前掠角较大时,升力系数曲线在失速迎角附近有一个升力系数的"平台",该布局具有"缓失速"特性.距离主机翼较远的鸭式前翼(模型M2)在主机翼前掠和后掠情况下,均可改善整体布局的失速特性,增大失速迎角,增强前掠翼布局缓失速的特点.近距耦合鸭翼(模型M3)显著提高了模型在大迎角下的升力系数.另外,主翼前掠和鸭式前翼布局飞行器具有较好的机动性.     

微型飞行器低雷诺数矩形扑翼非定常气动特性的数值模拟

采用双时间步方法求解三维可压缩非定常N-S方程,数值模拟了微型飞行器低雷诺数矩形扑翼的非定常绕流,首先将得到的结果与文献进行了对比,数据间具有较好的一致性.然后针对不同的展弦比、减缩频率及初始攻角,计算了矩形扑翼的非定常气动特性及表面流态和动态压力分布,并分析了翼尖涡对扑翼非定常气动特性的影响.     

单自由度扑翼模型脱落涡及其升力机制的实验研究

采用色流实验与particle image velocimetry(PIV)测量相结合的方法,对单自由度扑翼模型所产生的脱落涡进行实验研究,得到以下结论:①在扑翼上扑或下扑的过程中,前后缘处产生连续的牛角形涡环,且脱落涡均存在展向运动.②翼翅表面脱落涡的交替产生,使得翼翅上下表面交替产生不对称分布的压力差.③研究对象产生升力的条件是攻角与来流速度均不为零.④扑翼上扑和下扑过程中,脱落涡环量最大值均出现在单行程的3/5处.⑤脱落涡环量与扑动速度成正比.⑥相比上扑过程,下扑过程中翼翅对流场做功更多,在一个扑动周期内,这多余的能量转换为扑翼升力.     

一种新型商用飞机翼梢小翼设计及优化

翼梢小翼可以有效的减小耗散飞机的翼尖涡,减小诱导阻力,从而达到商用飞机减阻增升、节省燃油的目的。本文研究分析了blended winglet和raked wingtip两类小翼的特点,设计了综合这两类小翼特性的翼梢小翼,具有结构简单,增加的有效翼展小、适合于中小型机场特点。同时研究了bladed wingtip形式翼梢小翼的设计原理、设计方法及流场特性。采用的外形参数化设计及自动生成程序方法通过小翼的前后缘来确定小翼的几何形状,具有快速生成外形、易实现优化设计、工程设计效率高等特点。本文设计的bladed wingtip形式的翼梢小翼具有设计点压力峰值低、没有激波、翼尖不易先分离、在增加的有效展长很小的情况下仍有较好的减阻效果等特点。     

仿鸟柔性扑翼气动特性与能耗的数值研究

建立了适当的三维仿鸟柔性扑翼模型,并以配平重力和平衡阻力为条件,数值计算了它的低雷诺数非定常流场.研究揭示了翼面初始扭转角度、动态俯仰幅度等重要设计参数与飞行性能的关系,表明扑翼平面的初始扭转程度、扑翼柔性材料的选择以及两者之间的合理搭配对扑翼机的成功飞行至关重要.研究分析了仿鸟扑翼的流场涡结构、升力推力产生原理,下扑过程附着上翼面的前缘涡是升力产生的重要机制.对扑翼气动功率的比较分析也发现,人造扑翼机需要的气动功率明显高出同等大小的鸟类,在效率方面尚不及扑翼飞行生物.     

大展弦比机翼翼梢装置性能特性研究

针对大展弦比机翼的四发涡桨飞机巡航速度较低、巡航升力系数较大的缺点,通过加装不同的翼梢装置改善翼尖流场特性,从而提高升阻比,提升飞机起飞性能、爬升性能和续航性能。计算结果表明,翼梢装置可有效提高大展弦比机翼飞机的飞行性能,为进一步优化翼梢装置提供了技术基础。     

250座级翼身融合布局客机气动设计与优化

结合民机客舱结构设计参数和飞机总体设计参数要求进行气动布局设计,获得250座级翼身融合(BWB)布局客机初步气动设计方案.采用数值求解N-S方程的方法获得该布局在巡航和起飞条件下的纵向气动特性.结果表明,在巡航条件下α=2°时最大升阻比Kmax可达15.9.以固定巡航飞行升力系数下最小化飞行阻力作为目标优化了机翼展向几何扭转角分布.结果表明,优化后外侧机翼的负载减轻,减小了激波强度和波阻,从而提高了巡航升阻比Kcruise.Kmax由初始布局的15.9提高到20.7,Kmax由初始布局的15.4提高到19.2,与现役同座级客机接近.优化后起飞特性得到改善,巡航平飞时低头力矩减小,Cm0为更接近零的一小负数,利于操纵.     

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.     

透平叶片顶部间隙流动特性的实验和数值研究

利用粒子图像测速技术（PIV）捕捉透平叶片顶部泄漏流特征,并以此数据验证湍流模型和用商业软件CFX12．0进行的数值模拟方法。所研究的叶片为典型的GE—E3叶片,为了展示泄漏涡的生成和发展过程,用实验数据展示了3个不同截面的速度分布。数值计算中使用了混合网格生成技术及5种湍流模型。通过与实验数据的比较发现：RNG肛∈模型计算所得的泄漏涡与实验所拍摄的真实流动能较好地吻合。此模型和计算方法同样适用于研究叶顶射流对泄漏流的影响。计算结果显示：通过叶片顶部气膜孔射流产生的阻挡效应,最多能降低6．12％的主流泄漏。