倾转四旋翼机前后翼气动干扰特性仿真研究

基于雷诺平均Navier-Stokes方程,对倾转四旋翼机前后翼气动干扰特性进行了数值分析研究。采用反距离加权插值法实现不同气动构型下网格的自动更新,选取的水平无量纲距离(与翼型弦长的比值)分别为1.5、2.0和3.0,垂直无量纲距离分别为0、1.0和-1.0,系统分析了水平和垂直距离对串列翼整体和前翼、后翼及其平均气动力的影响规律。计算分析结果表明：前翼对后翼存在下洗效应,前翼先于后翼失速;水平位置主要影响串列翼大迎角下的升力系数,并且随着水平距离的减小,前后翼气动干扰逐渐增强;前翼在上后翼在下的串列翼布局具有更好的气动性能。与单翼相比较,虽然升力增大,阻力同样增大,但串列翼最大升阻比较小。     

连翼机低速气动特性实验研究

连翼机具有前、后机翼,前翼后掠上反,后翼前掠下反;后翼在前翼展60％～100％之间与前翼相连。其前视图和俯视图均构成菱形。在低速风洞中对连翼机进行了纵向及横向测力实验,其中包括前、后翼几何参数改变对气动特性的影响。实验表明,与常规飞机相比连翼机具有如下优点:诱导阻力小,升阻比大且具有较好的失速特性。改变连翼机前翼上反角和后翼下反角对纵向气动特性影响不大,对横向气动特性有明显影响。减小前翼外段的后掠角可使俯仰特性得到改善。     

联接翼气动／结构协同优化设计

联接翼是一种将前翼和后翼连接在一起的飞行器布局形式。针对联接翼气动／结构一体化的布局概念，通过结构有限元参数化建模、结构优化、试验设计和响应面模型技术，采用基于响应面的协同优化算法对其进行了气动与结构一体化设计，所获计算结果对大展弦比联接翼飞机构型初步设计具有参考价值。     

环翼机低速气动特性风洞实验研究

环翼机具有前、后翼,前翼后掠,后翼前掠,机翼在翼尖处连接,形成一个环状结构。为了解环翼的气动特性及环翼的几何参数对环翼机气动特性的影响,本文在低速风洞中对3种不同几何参数环翼飞机进行了纵向及横向测力实验,其中包括前、后翼几何参数改变对气动特性的影响。实验结果表明,与常规飞机相比,环翼机具有如下优点：诱导阻力小,失速特性好,操稳性能易于满足。实验得到的有价值结果,对环翼布局飞机的气动计算和合理设计具有重要意义。     

翼上螺旋桨构型耦合气动特性及翼型优化设计

针对半环形式翼上螺旋桨构型,研究了螺旋桨-机翼耦合流场特性,并以短距起降（STOL）状态最优升阻特性为目标对机翼翼型进行全局优化。首先,针对螺旋桨-气动面耦合构型,通过动量源法与真实桨叶模型CFD的计算对比,分析动量源法用于该构型设计分析的可行性。其次,为得到有利于桨-翼耦合特征的新翼型,建立了翼上螺旋桨构型自由型面变形（FFD）参数化模型,采用遗传算法对翼上螺旋桨构型机翼翼型进行全局寻优设计,分析了优化翼型参数及流场变化规律。最后,将优化翼型用于三维半环形机翼,分析其流场特性与二维计算结果的异同,验证二维翼型优化的有效性。结果表明：真实桨叶多重参考系（MRF）方法不能准确计算翼上螺旋桨构型下的流场结构,而动量源法计算结果与真实桨叶滑移网格非定常方法较为吻合;采用二维动量源CFD方法进行翼型的遗传算法优化是有效的,受半涵道的保护,二维优化翼型的优势在三维构型中得到了有效继承;翼上螺旋桨构型的翼型优化应当着重关注翼面曲率变化,在本文计算状态下,通过增加桨盘附近翼面曲率、保持附着流动来加强Coanda效应,有效实现了气动增升,优化后机翼升力提高了22.51%,显著减弱桨盘后高压区并产生二次吸力峰值,同时保持了机翼负阻力特性。     

基于CATIA VB二次开发的机翼几何外形参数化建模研究

对于机翼参数化建模方法,利用Visual Basic进行CATIA二次开发,实现机翼的外形参数化建模。本文着重对基于CST的翼型参数化建模方法进行了研究,在生成的界面中输入相应设计参数:根弦长、翼展、前缘后掠角、后缘后掠角、翼型数据文件和翼型参数,如控制点处翼型上下表面相对厚度等。通过运行编写的Visual Basic的程序,自动在CATIA中生成机翼外形模型,从而实现了机翼模型的快速自动生成和修改,为CFD软件进行机翼气动分析和对机翼与翼型进行气动外形优化提供模型。     

复合无人飞行器气动特性研究

基于对复合无人飞行器三维流场数值模拟计算,比较分析了串列翼布局方案和单机翼布局方案复合无人飞行器在巡航状态下的气动性能优劣.分析了串列翼系统中前后翼气动特性上的差别,前翼的气动效率要高于后翼,前翼要先于后翼失速.研究了前后翼垂直相对距离对串列翼气动性能的影响.计算了不同迎角下全机的气动力系数,通过分析机身和机翼对全机气动力贡献情况,建议对于复合无人飞行器气动设计,机翼设计以获得较大的升力系数为目标,机身设计以获得最小的阻力系数为目标.     

临近空间飞艇排翼式艇翼气动干扰实验研究

临近空间排翼式升浮一体飞艇是运行在临近空间环境,由水平、垂直方向具有一定几何间隔的两个艇翼连接两个囊体构成的新型低速飞行器。本文通过研制附加支架,使用一种低雷诺数风洞测量了两个对称翼型在水平、垂直方向相对位置、雷诺数、迎角等参数变化的情况下,前翼型模型对后翼型模型的升力和阻力系数于扰值的定量结果;对其变化规律进行了总结,并通过自由飞模型对由实验数据推导出的前、后机翼间的气动干扰进行验证,得出一些对排翼式布局飞行器总体设计有指导意义的经验数据与结论。     

机翼几何外形的CATIA参数化建模实现方法

以高亚声速运输机机翼为例,介绍了使用CATIA软件创建机翼几何外形参数化模型的方法。机翼的设计参数主要为机翼主梯形面积、展弦比、根梢比、1/4弦长后掠角、后缘转折位置、上反角及若干站位处的翼型及扭转角。根据以上初始设计参数,机翼的其它几何参数通过模型中内嵌的公式计算得出。模型中还包含设计完成后机翼的实际面积、机翼容积等后处理参数,可供设计参考。所生成模型中的参数可通过二次开发程序访问和修改,从而可在气动优化工作中实现快速的机翼几何外形设计,提供给CFD软件来建立气动力分析模型。     

缝翼结构参数对翼型流场和气动噪声的影响

缝翼气动噪声很大程度地依赖于其结构参数。分析其结构参数对翼型流场及其气动噪声特性的影响,是研究缝翼噪声抑制方法的有效途径。首先,基于典型三段翼型30P-30N,建立流场分析模型,并利用雷诺平均(RANS)和大涡模拟(LES)方法,分别对具有典型缝翼几何位置及外形特征的翼型进行稳态和瞬态流场特性分析;其次,利用FW-H声类比积分法求解远场噪声分布特性,并研究对比不同缝翼结构参数对远场声压级强度及其指向性分布特性的影响规律;最后,针对不同的缝翼结构参数,分析讨论缝翼噪声抑制与相应翼型升力变化的耦合关系。结果表明:缝翼几何位置和结构变形参数的调整均可有效降低远场噪声辐射,但是在攻角增大的情况下升力系数会有一定程度的降低。     

民用客机机翼/机身/平尾构型气动外形优化设计

针对典型跨声速民用客机的机翼/机身/平尾构型开展了基于离散伴随技术的气动外形优化设计方法研究,并采用自由型面变形(FFD)技术在优化设计过程中进行平尾的整体偏转,以实现最终设计结果全机俯仰力矩配平。采用基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程的离散伴随技术求解气动参数对设计变量的梯度,使梯度求解计算量与设计变量个数实现解耦,提高了优化效率。应用FFD技术对全机构型进行整体参数化,可通过FFD控制体控制机翼外形的变化以及平尾偏转,在实现机翼优化设计的同时通过偏转平尾来进行力矩配平,避免了单独优化机翼外形可能带来的额外配平阻力。采用序列二次规划算法进行基于梯度的优化设计并处理大规模的约束条件。以Drag Prediction Workshop IV Common Research Model作为初始构型进行了有/无力矩配平约束的优化设计,并在优化过程中施加升力约束以及几何约束。算例结果表明,优化后的气动外形显著改善了机翼表面压力分布,消除了激波,在力矩配平约束下的算例中,通过平尾的偏转实现了俯仰力矩配平下的机翼优化设计。     

排式充气机翼的高效气动布局研究

为了提高充气机翼的刚度特性,需要采用较大厚度的翼型,但厚翼型气动效率整体上又不太高。探讨一种适用于低速充气类飞行器的排式双翼布局方案,并尝试给予后翼一定的初始安装偏转角,同时还研究了双翼相对位置以及翼型特性对该排式双翼布局方案的影响。数值模拟结果表明,后翼前缘驻点附近的高压区增大了前翼下表面的压力,使此种布局较普通单翼布局在中小迎角范围内可以明显提高飞行器的升力和升阻比,其中迎角4°时可将升阻比提高62.8%,而给后翼2°的偏转角可使将升阻比提高幅度达到70.5%。同时,双翼相对位置对飞行器气动性能的影响较为敏感。此外,翼型厚度越大,弯度越小,所提出的排式双翼布局方案提高升阻比的效果越明显。综合效果来看,文中探讨的布局可为充气飞机的设计提供一个新思路。     

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。     

考虑配平特性的超声速客机低声爆气动布局优化研究

降低声爆水平是下一代超声速运输机研制需要解决的关键问题之一。低声爆优化通常使飞行器布局向着机翼后掠角增大、机翼沿机身方向分布范围增大的趋势发展,给飞行器的配平和低速特性带来不利影响。以某超声速客机基本构型为研究对象,建立基于类别/形状函数的翼身组合体参数化建模方法;基于超声速线化理论分析外形几何参数对声爆水平的影响。在此基础上,分别针对机身轮廓、机翼平面形状以及扭转角分布对该构型进行低声爆优化和俯仰力矩特性优化,并采用CFD 方法对优化结果进行校核。结果表明：与基准构型相比,在不显著增加俯仰力矩的基础上,优化构型的阻力降低了19 cts,近场过压显著降低,地面声爆响度降低5.1 PLdB。     

串列翼巡飞器不同气动布局及操纵面布置方案对比

为比较两种不同气动布局的串列翼巡飞器及不同操纵面布置方案的气动特性,利用计算流体力学软件进行了仿真计算,从升阻特性、流线图及湍流强度方面进行了分析,并比较了不同控制方式及不同操纵面偏转角度时的操纵特性。结果表明,前翼在上、后翼在下的气动布局具有较好的升阻特性;两种气动布局均具有纵向静稳定性和航向静稳定性,而仅前翼在上、后翼在下的气动布局具有横滚静稳定性;飞行器进行俯仰控制时,常规布局控制方式产生的操纵力矩较大,滚转控制时,鸭翼布局控制方式可产生较大的滚转控制力矩;后翼操纵面偏转对前翼表面压力系数的影响较小,可忽略,而前翼操纵面偏转对后翼表面压力系数的影响较大。     

基于B样条的机翼外形参数化方法研究

描述了基于B样条的机翼外形参数化方法在超临界翼型和机翼气动设计中的应用研究。在机翼外形参数化过程中,通过B样条曲线插值和拟合型值点生成机翼截面曲线和展向引导线,采用Coons Gordon方法通过自由放样和点阵插值获得B样条张量积曲面并进行叠加,进而获得插值于机翼表面曲线网的B样条曲面。还运用CFD工具对不同机翼放样面的气动性能进行了分析对比。通过研究,B样条控制点可作为设计变量传递给气动优化程序,采用B样条曲线或曲面表达式为各设计变量的线性组合,可以方便快捷获取几何梯度信息。     

CFD在概念-初步设计阶段三维气动外形优化中的应用

在飞行器概念-初步设计阶段,建立基于CFD的气动优化链对于提高优化计算的效率具有较好的工程应用价值。使用德国宇航院开发的CPACS数据格式给出飞行器平面形状,结合NURBS翼型参数化方法对飞行器几何外形进行参数化;自动生成计算网格并求解Euler方程数值模拟流场以评估参数化气动外形的气动特性,进而构建响应面模型;使用SQP梯度算法搜索响应面模型以获取满足约束的最优解。以Onera M6机翼为例,对该优化链进行验证。结果表明:在满足约束的条件下,基于CFD的气动优化链能够成功地进行气动外形优化。     

不同翼型厚度和来流马赫数下的桨涡干扰噪声分析

桨涡干扰噪声是直升机气动噪声主要组成之一，为了正确预测和降低直升机噪声，必须开展气动噪声相关物理参数研究。在对声场进行计算流体力学（CFD）直接数值模拟的基础上，分析了不同厚度和来流马赫数下二维平行桨涡干扰噪声传播特性和声源位置，分析了翼型厚度和来流马赫数对桨涡干扰噪声的影响，并得到了可压缩情况下远场声压预测公式。研究表明，低马赫数下，翼型厚度对噪声指向性影响不大，高马赫数下，翼型厚度对噪声指向性影响程度增大；噪声强弱主要随来流马赫数变化，翼型厚度对其影响较小；翼型厚度和来流马赫数变化不会改变声源点位置。开展不同翼型厚度和来流马赫数下的桨涡干扰噪声分析可以为进一步了解并控制直升机桨涡干扰噪声提供一定的参考。     

基于比拟理论计算圆柱/翼型的气动噪声

采用计算流体力学(CFD)与"声比拟"相结合的方法,通过两个步骤模拟流动的声学远场。第一步,在包含所有声源的近场区域内,通过求解URANS方程获得控制面处的非定常流场参数;第二步,采用基于可穿透数据面的FW-H方法模拟声学远场。该方法与传统的半经验方法相比,计算精确,易于工程实现,并且可以计算非线性噪声。根据气动声学计算积分公式,构造了高阶的时间离散格式,采用高斯积分公式计算圆柱/翼型的气动噪声。在时域和频域上计算了观测点处的声压及声压级随时间步数的变化情况,其结果与国外实验结果对比取得了较好的一致性,此外研究了翼型尾流部分界面对计算精度的影响。     

常规布局小型飞行器设计参数优化研究

对以螺旋桨为动力的长航时小型飞行器，在概念设计阶段的设计参数进行了敏感性分析。主要包含三个方面：一是飞机飞行状态，包括巡航高度；巡航速度及巡航升力系数。二是飞机机翼几何参数，包括尖梢比、展弦比和翼型。三是发动机的布局形式。飞机概念设计是在明确了设计要求的前提下开展的。在满足设计约束的基础上，通过对升力面气动特性及相互干扰分析，机翼剖面的设计选择以及升阻力特性的分析，典型部件重量构成的统计分析，计算出不同构型状态下的飞机重量和重心，保持纵向静安定度在合理范围内，通过对飞机有无配平情况下的阻力特性比较，寻求特定高度满足长航时设计要求的设计点。