战斗机后体流场数值模拟与减阻优化设计

采用数值计算方法模拟零迎角跨声速来流下战斗机后体流场,并进行后体外形的减阻优化设计。通过数值求解二维轴对称Navier-Stokes方程、k-ωSST湍流模型和气体组分方程,研究战斗机后体绕流与尾喷流相互耦合的流场特性,对三种欠膨胀喷管压比下的喷流进行数值模拟,同时对比多组分气体喷流和理想气体喷流对后体阻力的影响。采用梯度法对轴对称后体外形进行减阻优化设计,提出一种优化设计加速算法,其基本思路是通过逐步增加设计控制点个数并根据外形曲率合理分布设计控制点的位置,从而改善梯度法的优化效率。计算结果发现,超声速喷流会在后体尾部附近形成复杂的波系结构;与组分气体喷流相比,采用理想气体作为喷流介质时的后体阻力系数略高;在跨声速来流状态下,后体阻力系数值随喷压比的增大而减小。优化结果显示,优化后的的后体阻力系数可以降低13%左右;与一次性均匀分布优化控制点的梯度法优化方法相比,采用提出的优化加速算法可以缩短优化计算时间40%左右,并且可以提高优化设计的精度。     

高超声速飞行器后体/尾喷管一体化设计

采用实数编码、小生境技术、稳态复制策略、多目标定级排序技术,改进了标准遗传算法,建立了多目标遗传算法,并将其应用于高超声速飞行器后体/尾喷管的一体化设计,以尾喷管的推力、升力和附加俯仰力矩系数为性能目标,得到了优化问题的Pareto最优前沿面,优化结果显示了设计变量与性能目标之间的关系,并提出了建议的外形方案。该优化算法可进一步推广应用于包含更加精确的流动模型的优化设计当中。     

大型飞机扁平后体导流片减阻增稳研究

运输机采用扁平后体的设计形式可使舱门结构简单、重量轻,并且舱门机构的可靠性高,具有很好的使用性。但是扁平后体在巡航时横向流动比较严重,造成横向逆压梯度大且后体边界层易出现分离形成旋涡流动,带来压差阻力的增加。并且,后体分离涡在偏航时使垂尾两侧压力分布变差,降低了航向稳定性。导流片是特别针对扁平后体所采用的特殊气动力部件。其能够对后体涡的生成和发展进行抑制,削弱后体低压区,降低压差阻力;在偏航状态下,导流片改变了垂尾和后体的压力分布形态,可有效增加航向稳定性。导流片的减阻增稳作用使得采用扁平后体的运输机装载效率和气动特性得以兼顾。     

吸气式高超声速飞行器三维后体尾喷管优化设计

三维后体尾喷管是吸气式高超声速飞行器产生推力、升力的关键部件,需要精细设计,最大限度地提升三维膨胀过程中的气动特性。本文在二维后体尾喷管优化设计的基础上,发展了一种三维后体尾喷管的优化设计方法。通过参数化建模、三维喷管计算网格自动生成、空间推进CFD解算器及NSGA-II多目标优化软件等技术手段,对后体尾喷管三维构型进行了多目标优化设计。优化后的三维后体尾喷管与原始喷管相比,推力和升力都得到了较大提升。     

不良流线体的减阻新概念

介绍了一种不良流线体减阻的新概念,在物体迎风面上适当位置安装适当尺寸的侧板,可以将阻力减少80％以上,从而为这类物体减阻提供了新思路。     

基于控制理论的Euler方程翼型减阻优化设计

在Jameson的控制论气动优化设计思想下，应用Euler方程研究了翼型的反设计和减阻问题。设计过程中的梯度是通过求解一个伴随偏微分方程而得到的，每个设计迭代只需求解一次Euler方程和一次伴随方,一与设计变量数无关。在具体数值执行中：①利用分部积分将目标函数变分的计算转化成了类似于计算Euler方程残值的形式，节省了机器时间；②根据控制理论的要求，将减阻问题转化成了相应地修改伴随方程的物面边界条件和目标函数的变分表达，使问题得到了简化；③利用特征不变量分析法，处理了伴承方程的物面和远场边界条件。设计算例证明了本文方法可靠性好、收敛快、大大节约设计时间。     

轴对称近似等熵压缩流场的乘波前体优化设计

以升阻比为优化目标，在来流马赫数Ma=2—4及飞行高度H=20km-24km条件下，进行了轴对称近似等熵压缩流场的乘波前体优化设计，通过CFD验证Ma=4优化乘波体的气动特性，并研究了Ma=3优化乘波前体在非设计条件下的气动特性。结果表明：近似等熵压缩下表面的乘波前体在设计条件下具有良好的气流压缩效果，可满足机体／发动机一体化设计的需要；乘波前体升阻比在1．5—1．9之间，纵向压心位置靠后；非设计条件下，压缩波不聚焦，小于设计马赫数升阻比时降低，大于设计马赫数时升阻比略大。     

机身后体装置对阻力的影响

1.引言 切尾运输机的机身后体阻力在总阻力中所占的比例仅次于表面摩阻及诱导阻力。机身后体附近的绕流不仅影响飞机的阻力,而且对空中投放及空中加油也有很大的影响。过去的研究得出底部附加隔板(减阻片)可起到减阻作用。现除了对减阻片的几何尺寸和安装位置需进行优化外,还需探索平尾上附加隔板以及后体台阶的减阻效果,以扩展减阻方案。     

基于控制论隐式约束的翼型跨音速减阻优化设计

本文采用基于梯度的优化方法来研究气动优化设计问题,而梯度的计算是通过求解伴随方程得到的,与传统的差分法和遗传算法相比计算量大大减小。Jameson等人在处理约束时,都是采用显式的调整迎角的方式来修正设计状态以满足升力不减小的约束,这种处理缺陷很明显,程序复杂且设计状态被改变。本文采用另外一种全新的约束处理方式,隐式的方法让约束自动地满足且能保持设计状态在整个设计过程中都不会发生变化,程序也相对简单高效。最后,本文给出的算例也达到了预期的优化设计目标。     

大上翘机身后体设计方法

 在具有大上翘角的运输机机身后体设计中,目前国际上多以上翘角、长细比、收缩比和扁平度4种主要几何参数作为机身后体的设计原则。以国际上3种典型运输机为研究原型,构造了3种大上翘后体机身模型,采用计算流体力学(CFD)方法,研究了3种机身的阻力与绕流特性,综合分析了上翘角、长细比、收缩比和扁平度4种几何参数对机身阻力和绕流特性的影响及其描述大上翘后体形状对阻力特性影响的适用性。研究结果表明：仅占总阻力15％～20％的压差阻力决定机身的阻力特性,机身减阻应从减小压差阻力入手;后体截面形状是影响压差阻力的关键因素,而扁平度不能准确完整地描述后体截面形状对压差阻力的影响,采用近圆度及其沿机身轴线的变化描述后体截面形状的影响更为合理。提出了应以上翘角、长细比、收缩比、近圆度和近圆度沿机身轴线的变化率5种参数为主作为大上翘机身后体设计原则。     

跨音速运输机机身后体对航向静稳定性影响研究

采用课题组开发的CFD数值计算软件分别研究了跨音速上单翼布局运输飞机机身后体对航向静稳定导数的影响。研究过程中选择了两种后体构型型面：圆型面和立椭圆型面．分别对其气动力特性进行了计算分析。结果表明：圆型面后体的机身提供的航向静不稳定导数比立椭圆型面后体的机身提供的航向静不稳定导数大17．5％。     

基于遗传算法和空间推进方法的单壁扩张喷管优化设计研究

 将单目标遗传算法和多目标遗传算法（包括NSGA-II和NCGA）,与高效、高精度的空间推进流场数值模拟方法——SSPNS方法相结合,对二维超燃冲压发动机尾喷管即单壁扩张喷管（SERN）进行了气动优化设计研究。在巡航点（Ma=6.0）讨论了推力系数C_T最大单目标模型,推力系数C_T最大升力系数C_L最大两目标模型,以及推力系数C_T最大升力系数C_L最大俯仰力矩系数C_m最小三目标模型,分别得到了喷管的最大推力设计和关于多个目标性能的Pareto最优前沿。结果表明,扩张壁初始扩张角θ_r,i和外罩长度L_c对C_T影响较大;较小的L_c和较大的θ_r,i设计,将降低外罩内表面的负升力作用而使得SERN的C_L较大;较长外罩和较小的θ_r,i,对应Pareto最优设计的C_M较小。     

基于离散协同射流的翼型增升减阻方法

协同射流是一种近壁面流动的高效、低能耗主动控制技术。重点开展了一种应用离散协同射流的二维翼型增升减阻效应的数值模拟研究,分析了离散协同射流的堵塞度和喷口密集度等关键参数对流场结构、气动特性、功率消耗及能量利用率的影响效应与作用规律。在施加离散协同射流措施后,能够使翼型近壁面空间流场更有效地产生较强的相干涡结构,使得射流与主流及边界层充分混合,可显著提高同等迎角下的升力系数、明显减小阻力系数,最大升力系数提高近150%,失速攻角推迟约5°。研究表明:离散协同射流是一种显著提高翼型性能的高效流动控制方法。     

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。     

C型机翼局部优化设计研究

以DLR-F4模型为基本外形,利用涡格法以诱导阻力最小为原则,优选出了C型翼翼梢几何参数.采用N-S方程数值求解方法,研究了C型翼布局各部件之间的流动干扰机理.针对机翼与翼梢之间的流动干扰产生局部激波和翼梢水平段产生负升力问题,采用C型翼梢翼型优化配置的方法.仿真结果表明,这一方法较好地克服了上述不利干扰,进一步提高了C型翼的升阻性能.     

遗传算法结合神经网络的多段翼型优化设计研究

为提高多段翼型增升效能,开展包括襟／缝翼偏度和缝道参数在内的优化设计研究。将神经网络与遗传算法结合的优化设计方法应用于气动优化设计,并针对30P30N三段翼型,分别以8°迎角时升阻比最大和22°迎角时升力最大为目标进行了单目标和多目标优化设计研究。研究结果表明：采用单目标设计虽可在设计点获得较好的优化结果,但在非设计状态气动性能下降;采用多目标优化设计,既可获得良好的中等迎角升阻性能,又可改善大迎角失速性能,使综合气动性能更优;遗传算法与神经网络结合的优化设计方法可满足多段翼型的多点优化设计问题,具有高效、高精度等优点,易于工程应用。     

喷管与机后体一体化设计初探

航空燃气涡轮发动机尾喷管在装机时发生了诸如气动、燃烧、冷却和结构等一系列问题。为此,进行了气动热力分析和结构可行性分析;借助喷管与机后体一体化设计技术,进行了新的流路设计、内流和外流冷却系统设计,改进了快卸环设计和多项结构设计,并进行了试验验证,最终取得了良好的装机效果,获得了使用部门的好评。     

基于安装性能的航空发动机中间状态喷管调节计划优化

以Matlab为平台,结合MS-DOS命令和计算流体动力学（CFD）软件操作日志,成功实现将发动机零维总体性能计算程序和二维喷管内外流场CFD软件结合的数值缩放技术.为优化飞机推进系统巡航状态性能,耦合飞机后体阻力优化航空发动机喷管喉道面积、喷管出口面积的调节计划.计算结果表明:在保持发动机稳定裕度的前提下,如仅优化喷管出口面积,在大马赫数飞行状态时安装推力提高超过1%.