大型运输类飞机后缘襟翼气动载荷特性分析

后缘襟翼气动载荷计算是大型运输类飞机增升装置设计工作中的关键步骤之一。在新型民用运输机的研制与适航取证工作中,发现现有的襟翼载荷计算方法在某些特殊工况下并非足够保守。某型支线客机襟翼测压试飞中测得其巡航构型下襟翼气动载荷相对计算值有较为明显的增加。在分析对比了试飞与风洞试验的压力分布数据,并借助CFD工具进行定性分析后,最终证明气动载荷的增加主要由襟翼舱的密封失效所造成。以往载荷计算时,襟翼舱内部的襟翼表面压力通常赋值为0,这在襟翼舱保持密封时是可靠的;但在实际飞行中,襟翼舱处襟翼与机翼主翼面后缘之间的密封装置通常会由于制造或受载变形等原因失效,此外该位置附近的扰流板也会在飞行时浮动或偏转,这些都会导致襟翼舱内部气压降低到当地外界的静压值,使得巡航构型襟翼压力分布在头部有一个较为明显的平台式增加。另一型单通道干线客机通过低速风洞测压试验发现在小襟翼偏度构型时襟翼的法向气动力系数有明显增加,采用该试验结果作为输入,计算得到的考虑扰流板偏转影响的小襟翼偏度构型襟翼气动载荷,甚至超过了扰流板未偏转时所有增升构型下的襟翼最严重载荷。通过对压力分布数据及CFD计算得到的二维流场的分析,证明扰流板偏转造成襟翼载荷增加的主要原因是前者对后者的上洗效应。扰流板的偏转将增加其下游襟翼处的当地迎角,使得后者在小偏度时就接近其在大偏度时的法向力系数,之后由于小襟翼偏度构型时更大的襟翼设计速度与对应速压最终造成了载荷增加。针对上述两个问题提出了符合客观流动规律的方法进行补充和修正:在计算巡航构型襟翼载荷时,可在原有测压试验得到襟翼压力分布的基础上补充平顶型前缘分布作为载荷计算输入;而在计算小襟翼偏度增升构型襟翼载荷时,则可以采用工程方法预估扰流板偏转带来的载荷增量。上述方法已在实际工作中得到验证和应用。     

自由曲面修形技术在民机翼身组合体上的应用

翼身结合处的整流在民机气动中有很重要的作用,需要设计合适的外形以调整机翼上表面的压力分布及翼身结合处的气流,达到提高大型民用客机翼身组合体气动性能的目的.基于CATIA的自由曲面修形技术,采用自由曲线B样条的参数化方法,综合考虑工程约束(起落架布局),对民机构型翼身结合处进行了整流设计,并采用求解N-S方程的方法计算样...     

缝翼凹腔挡板气动性能和降噪效果数值研究

采用定常RANS方法计算缝翼凹腔挡板气动性能,并进一步采用SNGR方法快速评估缝翼凹腔挡板降噪效果。首先利用30P30N三段翼型的风洞试验数据验证数值方法的可靠性;其次参照AIAA国际会议发表论文中的标准前缘缝翼及其凹腔挡板几何模型,对无挡板、短挡板和长挡板三种构型的气动性能和噪声特性进行了对比。计算结果表明:1)短挡板和长挡板不会改变失速迎角,在失速迎角下带来了的升力损失仅为0.2%和0.7%;2)挡板带来的升力损失主要是由挡板上下表面及主翼下翼面前缘的压力分布差异导致的,而压力分布差异又源于挡板对缝翼凹腔分离涡形态的影响;3)相比无挡板构型,短挡板和长挡板构型均能降低缝翼凹腔及缝道附近的自噪声、剪切噪声和总噪声,且长挡板构型的降噪效果比短挡板构型更为显著。     

民用飞机二维增升装置设计

为满足民机市场对飞机高效、经济的需求,飞机在巡航飞行阶段必须具有飞行速度高、阻力小等特性,具体到气动设计方面,就要求飞机的机翼具有较大的翼载荷,即减小机翼面积以减小阻力,这给飞机起飞着陆阶段使用的增升装置的设计提出更高的要求。运用计算流体力学的方法进行了民用飞机二维增升装置,即多段翼型的设计,得到了良好的设计结果,并验证了在二维增升装置设计过程中采用前缘缝翼外形设计——带前缘缝翼进行后缘襟翼外形设计——前后缘增升装置缝道参数优化——起飞、着陆构型协调的设计路线图的可行性与有效性。     

基于静气动弹性效应的飞机型架外形修正方法研究

民用客机主要针对巡航外形设计,这就需要通过静气动弹性修正得到型架外形,保证型架外形在设计巡航状态飞行时,气动性能能够恢复到巡航设计状态。本文基于混合网格的N-S方程和结构柔度矩阵方法的耦合求解,发展了大飞机静气动弹性计算方法。根据静气动弹性变形过程的可逆性,结合飞行器质量分布、发动机推力以及巡航飞行重量等设计参数,发展了考虑静气动弹性效应的飞机型架外形修正方法。利用所发展的修正方法,获得了某大型客机巡航飞行的型架修正外形,同时分析了其它飞行工况的弹性气动特性,并通过算例比较验证了本文发展方法的有效性。     

用于喷气客机概念设计的气动特性分析程序

针对喷气客机概念设计需求,在确定了升阻特性的估算方法后,应用MATLAB开发气动特性分析程序。以典型喷气客机为例,验证了气动分析模型和计算程序的精度。所开发气动特性估算程序能快速对喷气客机初步方案气动特性进行评估。设计人员只需通过用户界面给出飞机外形参数和飞行条件,就可快速获得巡航构型曲线、升阻比曲线、巡航效率曲线、抖振边界曲线,以及起降构型升力线和升阻比曲线。     

大型民机翼型变弯度气动特性分析与优化设计

为了提高飞机巡航过程中升力系数、马赫数变化后的气动效率,大型民用运输机开始采用机翼变弯度技术。以典型远程宽体客机翼型为例,研究了翼型后缘变弯度对气动性能与压力分布的影响。利用代理模型建立了不同巡航设计工况下,翼型后缘弯度与气动性能的关系。以此为基础,提出了基于代理模型的大型民机翼型变弯度设计优化方法。算例研究表明,在给定巡航升力系数与马赫数下,该方法可以预测出翼型的最佳弯度,从而改善非设计点气动性能。该方法对大型民机机翼变弯度构型设计工作有一定的工程意义。     

基于人工神经网络的缝翼凹槽填充降噪设计

缝翼凹槽填充技术作为一种缝翼降噪方法,有可能会造成气动性能的损失,如最大升力系数和失速迎角的减小。基于这种情况,针对某多段翼型建立了缝翼凹槽填充构型的数据库,挑选出参考构型,利用置信度推理确定了优化方向,生成了20个优化构型;采用back propagation(BP)人工神经网络快速预测各优化构型的气动性能,选择其中气动性能最好的构型作为设计构型进行校核计算,求解定常Navier-Stokes方程评估其气动性能与基准构型作对比,应用CFD和声类比相结合的混合方法评估其气动噪声性能并与基准构型作对比。结果表明:在保持多段翼型气动性能的同时,对于给定观测点,所设计的缝翼凹槽填充构型使得气动噪声明显降低。     

大型飞机增升装置气动机构一体化设计软件及其应用

为满足现代大型飞机先进增升装置多目标综合最优的设计目标,本文结合气动、机构并行设计思想,基于VB、Qt和Catia二次开发环境搭建了增升装置气动、机构综合设计软件。其中包括翼身组合体、巡航构型、起降构型和机构设计四个设计模块,用户可从不同翼身截面数据点,通过拉伸组合成用户所设计的干净构型;利用NURBS曲线使干净构型快速切割出带增升装置的曲面外形;根据缝道参数经验值和机构约束将所切增升装置偏转并设计出合适的起飞、着陆卡位模型,并配以对应卡位设计机构。本文通过对多架、多类别大型客机进行设计并按照预期设计完成切割,完成不同固定翼机型以及翼身组合体机型的切割。经过大量的设计实例验证,软件具有广泛的通用性,能够实现对任意飞机的增升装置进行快速设计。     

大型运输机动力增升喷流效应数值模拟

参照C-17运输机发动机安装位置,考虑内、外涵道分开排气,建立了外吹式襟翼动力增升全机几何分析模型以及相应的巡航构型.采用结构化多块网格技术,基于雷诺平均Navier-Stokes方法,分别对全机增升构型和单独发动机动力喷流进行数值模拟验证,在此基础上对外吹式襟翼动力喷流效应展开研究.对于低速动力增升构型,发动机喷流大部分直接冲刷襟翼下表面而后向下偏转,部分高速气流经襟翼缝道引射并加速后吹向襟翼上表面,两部分气流在襟翼后缘汇合并向下游延伸,喷流冲刷襟翼时存在明显展向横流特征.在动力喷流影响下,不仅襟翼环量大幅增加,缝翼和主翼上的环量也均有所增加,全机可用升力系数和最大升力系数均突破了机械式增升装置的极限,达到4.0以上.同时,全机低头力矩大幅增加,为纵向配平带来额外的压力.对于相应的高速巡航构型,发动机喷流主要影响机翼下表面的压力分布,使得全机升力减小,阻力明显增大.动力增升构型在基本翼设计过程中应充分考虑喷流的影响.      

一类超声速长航程民用客机的气动设计和性能评估

缩短跨洲越洋长途旅行的飞行时间是人们一直追求的目标,超声速民用客机为这种日益增长的缩短飞行航时的需求提供了可能。本文阐述了一类超声速长航程民用客机的气动布局学设计和性能评估结果,其巡航马赫数为1.6,巡航高度为15km。采用航空工业空气动力研究院自主研发的ARI_OPT、ARI_OVERSET和ARI_Boom程序分别开展了气动优化设计、计算流体力学(CFD)性能计算和声爆特性评估,给出了其在巡航条件下的气动特性和声爆水平。本文的研究结果可为下一步发展超声速长航程民用客机提供技术支撑。     

大型民用飞机缝翼全尺寸静力试验载荷设计

研究了大型民用飞机前缘缝翼全尺寸静力试验载荷设计技术,以实现对缝翼结构安全性的考核和强度分析方法的验证。针对前缘缝翼尺寸小、曲率大、受载工况复杂的特点,提出了试验基准载荷筛选、试验实施载荷转换和试验加载方案优化的方法,形成了一套符合适航要求的试验载荷设计流程。基于最小安全裕度原则进行试验基准载荷的筛选,建立试验加载局部坐标系将气动分布载荷转换成试验集中载荷,为了准确模拟机翼大变形状态下缝翼的受载状态,对试验载荷进行斜加载。与理论载荷的对比分析结果表明了试验载荷设计的有效性,试验结果表明了所形成的载荷设计技术可以实现对前缘缝翼结构静强度的适航验证。     

大型客机机翼前缘缝翼气动及其机构一体化设计

前缘缝翼系统设计是一个涉及多目标、多学科综合的问题。针对这一复杂问题,首先解决了前缘缝翼支撑与驱动机构设计的诸多难点,然后利用CATIA二次开发技术,建立了一套气动和机构一体化设计平台,将前缘缝翼气动设计和机构设计有机地结合起来。大型客机前缘缝翼气动机构一体化设计子平台的功能是向用户提供前缘缝翼以及支撑与驱动机构设计参数的输入;然后驱动CATIA自动生成前缘缝翼起飞着陆状态的气动外形;在此基础上自动生成支撑与驱动机构零件,装配并仿真;最后通过高效的气动评估方法来评估前缘缝翼在机构引导下得到的起飞着陆性能是否满足总体设计要求。     

High-aspect-ratio Aireraft Aerodynamic Load DistributionCalculation Method Based on Piezometric Tunnel Test

为根据飞机高/低速风洞测压试验数据给出飞机的机翼,机身和尾翼的气动载荷分布,供外载荷计算使用,介绍了一种基于测压风洞试验的大展弦比飞机气动载荷分布计算方法。通过将测压试验数据插值到载荷计算模型网格中,并将测压试验数据与测力试验数据相协调,再对压力分布数据进行切面/纵向积分、样条插值和线性化拟合后,对飞机活动面中立、偏襟翼、偏副翼、偏方向舵和偏升降舵状态时的机身、短舱、机翼及翼身组合体气动载荷分布进行了计算。总结了各剖面区域表面压力随迎角,侧滑角,以及飞机舵面变化的规律,验证了测压数据与测力数据进行协调的必要性。对飞机气动载荷的设计优化有重要的反馈评估作用。     

基于伴随理论的大型客机气动优化设计研究进展

大型民用客机的气动设计具有巡航马赫数高、部件间流动干扰复杂、外形精细化修形难度大等特点,完全依靠人工试凑法进行气动设计工作量巨大。基于高可信度数值模拟的优化设计技术可以对该类问题进行自动寻优设计,给设计师提供有力参考,因此在大型民用客机气动设计中发挥着越来越显著的作用。首先,以大型民用客机为背景,总结了民机气动设计中的关键科学问题,指出了梯度优化设计方法在民用客机不同优化设计问题中的适用性,并进一步对梯度求解中的伴随方法理论进行了详细介绍。然后,分析了基于伴随理论的气动优化设计方法以及气动结构多学科优化设计方法在民用客机设计中的研究进展,其中气动优化设计方面着重突出了复杂全机多部件气动外形优化设计方法以及飞机/发动机一体化优化设计方法。最后,对基于伴随理论的气动优化设计方法在大型民机中的应用进展进行了提炼,对未来发展趋势进行了展望与建议。     

考虑放宽静稳定度的民用客机气动优化设计

为了更加有效地减小民用客机考虑配平约束后的阻力,针对典型跨声速民用客机机翼-机身-平尾构型研究了不同静稳定度下的气动优化设计,并总结出在民用客机的减阻设计中考虑放宽静稳定度具有较大的减阻潜力。通过自由型面变形(FFD)技术对全机外形进行参数化,实现机翼型面的变形,进行气动优化设计并改变平尾的偏转保证全机能够力矩配平。采用基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程的离散伴随方法求解目标函数对设计变量的梯度,然后基于序列二次规划算法进行基于梯度的气动优化设计。基于CRM(Common Research Model)构型,针对不同参考重心位置进行了考虑配平约束的减阻优化设计研究,验证了优化设计系统的有效性,算例结果表明,随着重心位置后移即放宽静稳定度,优化构型配平阻力减小,外翼段前缘吸力峰值明显降低且双激波的强度得到有效减弱,此外机翼的升力系数分布更加贴合最佳升力系数分布。     

三角翼飞机气动压力测量试飞技术研究

回顾了气动压力测量技术的国内外发展现状，介绍了三角翼表面压力飞行试验测量技术、试飞总体方案及实施方法，并对飞机试验情况进行了，给出了不同速度下飞机机翼表面压力分布试飞结果和飞机活动翼面的压力分布测量结果，试飞结果表明，机翼蒙皮直接改装测量孔和测压带方法均能有效测量机翼表达压力分布。     

大后掠机翼外侧翼下导弹气动特性分析

位于大后掠翼战斗机机翼下的导弹,在飞行中受到的气动载荷,会对结构疲劳特性产生显著影响。为了研究导弹的气动载荷,建立了某型战斗机挂载导弹的气动仿真模型,设计了 3种导弹构型,分别为带前后弹翼导弹、只带后弹翼的导弹与只有弹体不带弹翼的导弹。对飞机翼下挂载 3种不同构型的导弹进行了气动特性的数值模拟与分析,并对比了导弹的气动载荷分布规律。计算结果表明:位于大后掠机翼下方的导弹,由于机翼下方的洗流作用,会受到较大的气动载荷,导弹的气动载荷以侧力和滚转及偏转力矩为主要分量；滚转力矩的方向会导致导弹与发射装置连接处靠近飞机对称面一侧受力较大,容易降低疲劳寿命；导弹的气动载荷主要由后弹翼产生,可在设计弹翼时适当减小后弹翼的面积,从而降低战斗机后掠翼洗流对翼下挂载导弹气动特性的影响。     

螺旋桨飞机远场气动噪声预测程序开发及应用

针对螺旋桨飞机远场气动噪声的数值计算、对比验证问题,采用CFD耦合FW-H声比拟方法,设计开发了一套螺旋桨飞机远场气动噪声精细化预测程序WiseFWH,选取某螺旋桨带动力翼身组合体巡航构型,对其远场气动噪声的频域特性和总声压级指向性分布进行数值仿真。研究结果表明：螺旋桨高速旋转产生的非定常流场脉动是螺旋桨飞机最主要的噪...     

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。