宽体客机气动标模CHN-T2设计

发展商用运输机标模是我国独立发展具有自主知识产权的先进民用飞机的重要支撑手段,对验证CFD技术和确认风洞试验品质具有重要意义。结合国内外主流宽体商业客机的布局特点和气动设计需求,基于自主开发的AMDEsign设计平台,设计研发了宽体客机标模CHN-T2。标模设计马赫数0.85,设计升力系数0.48。模型充分体现了主流宽体商用客机典型的双通道机身/超临界机翼/平立尾/翼吊通气短舱等几何特征,具有典型的部件间强干扰/激波分离/转捩等流场特征以及优异的高亚声速巡航/高升阻比气动效率等性能特征。通过气动外形优化设计、短舱吊挂组件影响及雷诺数效应等研究,并结合风洞试验数据对比分析,最终确认CHN-T2模型巡航升阻比达到21.8、阻力发散马赫数约为0.872、抖振边界大于1.3倍巡航升力系数、风洞试验准雷诺数为3×10⁷。研究认为,CHN-T2模型具有良好的气动性能,能够作为先进宽体客机气动标模进行应用推广。通过持续建立的丰富气动数据库和流场影像,可有力支撑宽体客机流动机理分析、CFD技术验证与确认、先进风洞试验技术发展验证、CFD与风洞数据相关性等研究。     

大型客机后缘襟翼滑轨整流罩气动外形设计方法

大型客机后缘襟翼机构伸出机翼下表面会带来气动损失,必须设计相应整流罩。整流罩的外形尺寸对气动力影响较大,会直接影响飞机的气动特性。设计整流罩时应该遵循整流罩外形设计要求,使其引起的高速巡航阻力尽可能小。在查阅相关文献、对比研究大量整流罩图片、分析研究计算机辅助设计(CAD)中NURBS曲面曲线描述方法的基础上,建立了一套详细的大型客机后缘襟翼滑轨整流罩外形设计方法,该方法在满足整流罩包裹住机构、减小气动损失等基本要求的同时,缩短了整流罩设计周期。     

后缘隔板对充气式机翼翼型气动力影响分析

以充气式机翼为背景,研究了安装后缘隔板充气式翼型的气动特性。以翼型E387为基础生成的钝后缘翼型为研究对象,采用大涡模拟方法对安装中部隔板的充气式翼型进行了流场数值计算,并与未安装隔板的情况进行了对比。总结了后缘中部隔板对充气式翼型气动特性影响的变化规律,为充气式机翼设计提供参考。     

翼型后缘厚度对气动性能影响的数值分析

在研究DU系列翼型的空气动力特性时,发现DU97-W-300翼型的升阻力随时间变化。通过对比多种攻角和多种后缘厚度下的升阻力随时间变化曲线,发现该现象与边界层分离有关,而且后缘厚度对边界层分离有重要影响。最后得出结论:翼型后缘厚度存在一个临界值,当后缘厚度大于临界值时,受力不稳定,小于它时受力稳定。     

宽体客机巡航机翼变弯度减阻技术

针对宽体客机可变弯度机翼,建立了适用于原理性研究的参数化模型,验证了方法的可行性。以CRM机翼为研究对象,开展了前后缘变弯度对气动力、压力分布和展向升力载荷分布的影响分析,研究了巡航速度多个升力状态下的最优变弯度,并对比了单独变后缘弯度和前后缘同时变弯度的差异。研究结果表明:宽体客机机翼前后缘小角度偏转可使气动特性产生较明显变化,其中后缘变弯度的影响更为显著;定升力状态下通过变弯度可改变机翼展向当地攻角及弯度分布,从而减小激波阻力或诱导阻力;在小升力系数时变弯度获得的减阻量不超过0.0001,而较大升力系数时可达0.0010,并同时降低翼根弯矩、改善激波诱导分离;相比于单独变后缘弯度,前后缘同时偏转可在进一步抑制抖振边界附近低头力矩增长的同时获得更大的减阻量。研究过程充分体现了建模方法在避免引入型面质量干扰、提高三维外形及网格生成效率上的优势,得到的原理性结论可为可变弯度机翼技术的工程应用提供参考。     

高超声速飞行器宽速域翼型/机翼设计与分析

对于现代高超声速飞行器的设计而言,除了需要保证高超声速的性能外,还必须兼顾满足工程需求的亚跨超声速特性。首先,采用雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程流动求解器,结合基于Kriging模型的代理优化算法,开展了高超声速飞行器宽速域翼型的优化设计研究,设计出了一种下表面具有双"S"形特征的新翼型。综合性能评估结果表明,该翼型相比于常规的高超声速翼型,在跨声速和高超声速下具有更加优良的气动特性;其跨声速状态下的升阻比达到78.9,高超声速状态下的升阻比达到5.94,能够实现宽速域内良好的综合气动性能。其次,开展了仿德国"桑格尔号"（SANGER）空天飞机运载机机翼的气动特性研究,对配置宽速域翼型与常规高超声速翼型的机翼进行了气动力特性综合对比分析。结果表明,配置新翼型的机翼在宽速域范围内整体气动性能更优,说明所设计的宽速域翼型在三维机翼上也具有一定的实用价值。     

大厚度钝后缘翼型气动性能计算研究

大厚度钝后缘翼型由于其气动和结构的优点,近来被作为大型风力机叶片设计时的内侧翼型成为风力机翼型设计的热点之一EULL由于此类翼型厚度和风洞阻塞度的限制,大雷诺数的风洞实验数据很少。耦合RANS方程和基于线性稳定性分析EULL捩预测方法,进行了大厚度钝后缘翼型气动性能计算研究。使用Gridgen程序生成计算网格,湍流模型为S-A模型。对常用的钝后缘修形方式如直接截断、对称增加厚度等并且有风洞实验结果的几种翼型进行了CFD计算并和实验结果及文献计算结果进行了比较。结果表明升力系数在线性段,计算结果和实验结果吻合很好,但是对失速迎角的捕捉能力差;阻力系数计算结果和实验值吻合较好。不同修形方式的计算结果为钝后缘修形设计提供了参考。     

一种前后缘连续变弯度翼型气动特性分析

提出了一种基于厚度不变的翼型前后缘连续偏转变形规律,并以NACA0015翼型为例,实现了翼型变弯度的参数化。以柔性伸缩蒙皮支撑结构和机械结构实现了可连续光滑偏转后缘的变弯度翼型,验证了变形规律。以前后缘偏转角度为参数,计算并分析了各个变形状态下翼型扰流流场和气动特性,讨论了变形参数对气动特性的影响,研究了气动特性的产生机理。研究结果表明:在大迎角下,前缘偏转角对翼型失速有一定的抑制作用;在中小迎角范围内,翼型升阻比随着后缘偏转角的增大而增大,且不论迎角如何变化,总可以通过前后缘偏转来获得较高的升阻比。     

基于代理模型的自适应后缘翼型气动优化设计

针对具有自适应后缘的跨声速翼型,基于代理模型和遗传算法相结合的优化方法,开展考虑自适应后缘结构约束的翼型气动优化设计研究。结果表明,低升力系数下翼面流场没有明显的能量损失,不同设计升力系数得到的自适应后缘翼型阻力相差不大;高升力系数下翼面附近存在激波,翼型阻力主要由激波强度决定。对于以低升力系数为设计点的基本翼型,通过后缘自适应变弯来调整载荷分布,可以降低翼面激波强度,减小翼型阻力;对于以高升力系数为设计点的基本翼型,可以直接通过气动优化来消除翼面激波,使得翼型阻力达到最小。因此对于带有自适应后缘的翼型,为了实现宽升力系数范围内的阻力最小,应首先以高升力系数为设计点完成基本翼型的气动优化设计,然后以低升力系数为设计点完成自适应后缘外形的气动优化设计。     

基于后缘襟翼偏转的大型客机变弯度技术减阻收益

为了满足工程实际约束,针对宽体客机内外襟翼位置与偏角卡位进行了机翼后缘变弯度减阻收益研究。使用雷诺-平均Navier-Stokes（RANS）方程对襟翼不同后缘偏角采用遍历的方式进行了气动力评估,得到后缘襟翼最佳偏角;探究了变弯度技术在非设计点的减阻收益,以及变弯度技术对宽体客机阻力发散和抖振边界设计要求的拓展能力,进一步采用远场阻力分解方法探究了设计结果的减阻机理。结果表明,在变马赫数的非设计点,考虑俯仰力矩系数配平之前,阻力能获得一些收益,但考虑俯仰力矩系数配平后,变弯度后的阻力系数不减反增;当升力系数发生变化时,变弯度在考虑俯仰力矩配平的情况下,均能取得一定的收益;变弯度技术也减缓了抖振点激波诱导分离的趋势,对抖振特性有较好的改善作用。基于后缘襟翼偏转的变弯度减阻收益评估和机理分析,能为宽体客机机翼变弯度设计提供参考。     

仿生学翼型尾缘锯齿降噪机理

采用大涡模拟与声类比的方法研究了尾缘锯齿对翼型自噪声的影响。以SD2030翼型为研究对象,设计的尾缘锯齿幅值为10%弦长,周期为4%弦长。模拟了来流速度为31 m/s、0° 攻角下直尾缘翼型与锯齿尾缘翼型的流场,对应的基于弦长的雷诺数约为310 000。详细分析了尾缘锯齿对翼型尾缘湍流流场的影响,并通过FW-H方程计算大涡模拟提取的声源项,得到直尾缘翼型与锯齿尾缘翼型的声场。研究发现,锯齿尾缘可以明显降低翼型中低频范围内的噪声,在4 000 Hz以下,窄带噪声最多可降低约16 dB。但尾缘锯齿对翼型气动性能有着不利影响。进一步研究表明,该状态下翼型噪声主要由层流边界层引起的涡脱落噪声主导,尾缘锯齿可以抑制层流边界层引起的涡脱落现象,降低翼型升力脉动与尾缘附近的表面压力脉动,减弱尾缘处的低频湍流脉动与涡量,并有效降低尾缘附近涡的展向相关性,这些因素的综合作用使得翼型自噪声降低。     

改型尾缘对翼型流场影响的数值模拟

建立了NACA23012翼型后缘加装Gurney襟翼模型和高度为2%弦长的Gurney襟翼翼型的后缘表面曲率进行修改的模型,并利用FLUENT软件对其进行数值模拟,得到不同模型在不同风速,不同攻角下的空气动力学性能（Cl、Cd）以及翼型表面压力、速度、马赫数的分布等.计算结果表明：四种单纯的加装Gurney襟翼的模型中,高度为2%弦长的Gurney襟翼模型具有最高的升阻比.而与单纯加装Gurney襟翼的模型相比,修改下表面后缘曲率的模型的升阻比可提高14%左右.在0.5度攻角以下及负攻角时,与 NACA23012原型相比,各改型的升阻比都有所提高.     

一种基于平均流场的翼型尾缘宽频噪声预测方法

发展了一种基于平均流场的翼型尾缘宽频噪声预测方法.可压缩Navier-Stokes方程被重组为能描述气动噪声产生和传播的形式,包括准确描述声传播的线性算子和雷诺应力构成的声源项.为减少计算时间和避免格林函数空间奇异性,采用伴随格林函数方法求解格林函数;同时采用基于平均流场的声源模化方法生成声源项.为了验证该方法,预测了NACA0012翼型尾缘宽频噪声,其中平均流场使用OpenFOAM计算,格林函数采用均匀流动下半无限大平板近似.预测结果表明:对于不同来流速度和攻角,该方法不仅能准确预测噪声幅值及峰值频率,而且噪声频谱也都在实验结果的误差范围之内(±3dB),证明了该预测方法的精度和适用性.      

尾缘襟翼长度对风力机翼型气动性能的影响

针对尾缘襟翼长度对风力机翼型气动性能的影响,分别以S809翼型与DU翼型为研究对象,设计了6种襟翼长度的襟翼模型,襟翼向翼型压力面偏转角为10°,襟翼与翼型主体之间为均匀1mm间隙,利用AUTOCAD对各襟翼长度模型进行几何建模。采用计算流体力学软件Fluent 14.0对各襟翼模型进行不同攻角下的气动性能计算,对翼型边界附近流场及压力系数等进行了分析比较。结果表明:尾缘襟翼长度对翼型的气动性能有较大的影响,襟翼长度不仅对襟翼附近的流场产生影响,对整个翼型的流场都有较大影响;带襟翼模型升力系数比无襟翼模型大大提高,且在一定攻角范围内随着襟翼长度增加,升力系数逐渐增大;带襟翼模型阻力系数比无襟翼模型翼型大,且在一定攻角范围内随襟翼长度增大阻力系数也增大;带襟翼模型升阻比在一定范围内比无襟翼模型大。     

带前后缘控制面机翼的颤振分析

针对同时带有前缘和后缘襟翼的二维翼段,研究了考虑不确定性因素的多输入/多输出系统的颤振问题。利用线性分式变换形式,分析了模型中非定常气动力、非线性结构刚度和变结构阻尼等不确定性因素,建立了考虑不确定性的机翼闭环系统状态空间模型。利用鲁棒控制中的μ控制方法,分析了系统的鲁棒性。结果表明,同时带前后缘控制面的机翼可以有效拟制颤振的发生,提高颤振速度达34.96%。     

后缘锯齿襟翼对翼型气动特性的影响研究

针对在翼型后缘增加锯齿襟翼与格尼襟翼的差异性,以及二者对翼型的空气动力特性有何改善等问题,在某民用运输机机翼翼型下表面后缘处增加锯齿襟翼,对其进行了空气动力特性试验和计算。结果表明,增加一定高度的后缘锯齿襟翼,能够减弱和改变翼型下表面后缘处气流的流动,从而减少和改变翼型下表面尾涡的涡量和涡量变化率,达到增加翼型升力、减小翼型阻力的目的。     

翼型尾缘噪声源空间分布与辐射特性关系

详细研究了翼型湍流边界层尾缘宽频噪声源空间分布与辐射特性的关系.采用基于雷诺平均流场的翼型尾缘宽频预测方法研究了NACA0012翼型湍流边界层尾缘宽频噪声在4种不同工况下的噪声源空间分布与辐射特性.首先计算了NACA0012翼型湍流边界层尾缘噪声源在不同频率下的空间分布.计算结果发现:边界层中湍流是翼型湍流边界层尾缘噪声声源.随着频率的增加,噪声源强度和噪声源空间尺寸都是先增加后减小,噪声源位置不断靠近翼型尾缘.同时也计算了边界层内不同位置处的噪声源对远场噪声的辐射特性,结果表明:边界层内层区域,其噪声频谱能量集中在高频;边界层外部区域,其噪声能量集中在中低频;攻角增大或者来流速度减小,噪声能量向低频转移.      

前后缘型线同时可控的乘波体设计

提出了一种前后缘型线同时可控的乘波体设计方法,在马赫数可控的外锥形曲面基准流场中,结合流线追踪技术和混合函数,实现了椭圆前缘转椭圆后缘的乘波体设计,并在设计点(Ma=6.0)和接力点(Ma=4.0)对其进行数值仿真研究。前后缘同时可控的乘波体在型面剧烈过渡处产生了较弱的激波,出口两侧存在高温高压区,后部对称面附近的激波形状由圆弧变为平直线且出口处流场基本均匀,非常有利于与进气道匹配设计。另外,该乘波体具有较高的容积率和预压缩效率,附面层修正后的容积率为0.24,设计点时乘波特性较好,接力点时前部完全乘波,具有较高的升阻比,有黏条件下设计点和接力点的升阻比分别为2.54和2.41。此外,与给定前缘的乘波体相比,其升力、阻力、俯仰力矩和出口增压比都有明显增加,但是升阻比和出口总压恢复系数有所降低,在设计点无黏升阻比由3.56降为3.00。以上研究表明,本文的设计方法可行且更加灵活,拓宽了乘波体的选择范围。     

锯齿尾缘叶片气动特性和绕流流场的数值研究

以基于NACA 0018翼型的锯齿尾缘仿生叶片为研究对象,采用大涡模拟的方法研究锯齿相对齿宽与相对齿高对锯齿尾缘叶片的气动特性和非定常绕流流场的影响规律和机制.研究表明,尾缘锯齿参数对叶片气动性能的影响是复杂的非线性过程,在一定来流攻角范围内能提高升阻比,但失速提前.如在9.4°~14.8°来流攻角范围内,不同相对齿宽系列叶片的升阻比高于原始叶片,升阻比与锯齿相对齿宽之间没有线性关系.研究还表明,锯齿尾缘能延迟边界层分离,加速尾迹的流动掺混和能量扩散,改变非定常涡结构和涡脱落频率.相对齿高的变化对非定常流动特性的影响更为显著.尾缘锯齿诱导的二次湍流射流和吸力面侧反向涡对改变了原始叶片的绕翼环量,进而影响锯齿尾缘叶片的气动特性和绕流流场特性.