远程民机变弯度机翼后缘外形变形矩阵气动设计

针对远程民机变弯度机翼后缘外形设计问题,从变形矩阵构建角度开展气动优化设计研究。参考指关节变形结构特点确定后缘变形外形参数化方法,基于代理优化算法,结合变形关联约束搭建了后缘外形变形矩阵气动优化设计流程,完成了以升力阶梯变化为特征的巡航任务剖面变形矩阵和由抖振点和阻力发散点构成的非巡航任务剖面变形矩阵的气动优化设计。研究表明,在巡航任务剖面,后缘变形减阻收益随着设计点升力相对基准点变化量的增加而增大,且高升力时的减阻量约为低升力的7～8倍。后缘变形减阻关键在于调整主翼压力分布,对变弯控制剖面偏度不敏感,考虑变形关联约束不会明显降低减阻收益,存在变弯控制剖面偏转规律相同、偏度与升力线性对应,且减阻收益明显的阶梯变形矩阵。在非巡航任务剖面,后缘变形同样具有明显的规律性,可有效降低抖振点的激波强度,但无法有效改善阻力发散。     

可连续光滑偏转后缘的变弯度翼型气动特性分析

以变弯度翼型为研究对象,计算了其六种外形的绕流流场,分析了不同的连续光滑变形翼型与传统偏转翼型的气动特性,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;与此同时,以形状记忆聚合物柔性蒙皮和机械结构实现了可连续光滑偏转后缘的变弯度翼型,并在风洞实验中测试了其气动特性。计算和实验结果表明:可连续光滑偏转后缘的变弯度翼型能改进传统主翼-简单襟翼翼型的气动特性和流场分离特性;可变形段范围、转轴位置、后缘偏转角度、后缘高度等变形参数对气动特性具有显著影响。     

变弯度机翼前后缘结构技术发展与应用前景

变弯度机翼前后缘结构技术在增升减阻、改善操控、降低噪声等方面有着良好的应用潜力,在欧美国家得到了长期重视和发展。本文介绍了变弯度机翼前后缘技术发展情况,以研发时间为轴线,就主要技术方向进行了阐述,并结合发展情况、技术途径和发展水平,对涉及的变弯度机翼前后缘结构的技术应用前景进行了初步分析。在此基础上,对国外变弯度机翼前后缘的部分技术指标进行了简要梳理,针对主要指标的未来需求、现实技术能力、发展路径等因素,初步量化提出了供我国变弯度机翼前后缘结构研究的牵引性指标。根据机翼后缘变弯度气动性能计算结果,对气动收益、起飞重量收益、燃油收益和航程收益分别进行了工程计算分析,初步验证了变弯度技术应用于背景飞机的显著价值。     

机翼变弯度技术研究进展

通过改变机体结构气动外形,确保飞行器在不同飞行状态下持续获得最优气动效益,一直是航空领域的研究热点,而机翼变弯度(VCW)技术是其中一个重要研究方向。首先,分析总结了机翼变弯度技术所带来的综合收益,详细阐述了不同飞行器对机翼变弯度技术的具体需求;然后,分别从变弯度前缘和后缘回顾了过去数十年的发展历程,分析了当前面临的主要技术难点;最后,预测了未来发展趋势,并对机翼变弯度技术的未来研究方向提出了建议。     

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。     

可变弯度机翼后缘的研究进展及其关键技术

简述了可变弯度机翼后缘结构的国内外研究进展,描述了现阶段的几种典型的可变弯度机翼后缘结构方案,提出了可变弯度机翼后缘结构设计的关键技术,分析了各项关键技术的设计要求和研究难点,为该项技术的进一步研究提供参考。     

后缘连续变弯度对跨声速翼型气动特性的影响

针对后缘连续变弯度对跨声速翼型气动特性的影响进行了研究。首先不考虑翼型后缘连续变弯度,基于搭建的优化设计系统对跨声速翼型进行气动减阻优化设计,通过添加不同的约束优化得到两种跨声速翼型:无激波翼型和超临界翼型。然后在这两种翼型的基础上,以后缘偏转角度为设计变量、以阻力系数最小为目标,针对不同的升力系数分别进行优化设计,并根据优化结果深入分析后缘连续变弯度对这两种翼型极曲线特性的影响机理。优化结果表明:无激波翼型与超临界翼型相比,其设计点处的气动特性较好,但鲁棒性较差;升力系数小于设计升力系数时,应用后缘连续变弯度后,无激波翼型的极曲线特性明显提高,减阻最高达到3.9%,而超临界翼型的极曲线特性提高不明显;升力系数大于设计升力系数时,应用后缘连续变弯度后,无激波翼型和超临界翼型的极曲线特性都明显提高,减阻分别达到2.4%~18.1%和1.7%~13.2%。     

大型客机后缘铰链襟翼巡航变弯度气动性能数值研究

更高、更快、减阻是飞机设计三大永恒的追求。传统的固定翼飞机在进行优化设计时需兼顾各种飞行条件,寻求一个折中的最优解,而变弯度机翼的概念能有效解决这个问题,符合上述飞机设计的三大追求。着重研究大型宽体客机后缘襟翼刚性变弯度对巡航气动效率及跨声速抖振边界的影响。首先基于下垂式铰链襟翼机构,编制了机构引导下带扰流板联合偏转的后缘襟翼运动仿真程序,以自动生成不同襟翼偏角的巡航构型。在此基础上对巡航构型进行非稳态气动计算,获得跨声速区机翼抖振边界。以该抖振边界作为约束条件,以襟翼偏角、迎角为双变量,获得Cl-K关系图,得到最优升阻比曲线。本文中襟翼偏角变化为0°~±3°,间隔1°;迎角范围为-2°~5°,间隔1°。计算结果表明,变弯度构型较不变弯度构型升阻比有所提高,抖振边界约提高10%;变弯度构型可提高不同设计点的气动效率,实现减阻省油;跨声速区机翼抖振边界的提高扩大了飞行包线,使得飞机能飞得更高、更快。     

柔性变弯度后缘机翼的风洞试验模型优化设计

本文通过优化的方式设计了一种具有较高变形精度的适用于变体飞行器的柔性后缘变弯度装置。该装置通过结构的弹性变形传递力和运动,包括驱动器、一体成型的蒙皮与梁结构组成。在给定的结构拓扑形状下,为了寻找到最优的驱动、结构参数,本文系统化地提出了柔性变弯度后缘的设计框架。该设计框架包括了变弯度机翼外形参数化方法、变弯度气动外形的优化设计方法和结构参数优化方法,求解结构变形时考虑了几何非线性大变形,采用最小平方误差和考虑空间顺序的Fréchet距离来衡量后缘真实变形与目标变形之间的相似性。对比研究表明,最小误差距离不能捕捉到局部的噪声,而Fréchet距离可以很好地控制最大的变形误差,所需迭代次数较少,并能获得整体变形精度较高的结果。数值仿真验证了所提出的优化方法的有效性。本文对多种具有不同拓扑的初始结构进行参数优化,最大能提高91%变形精度。最后,利用增材制造技术实现了柔性变弯度后缘翼段,该部件具备下偏22.5°,上偏7.5°的变形能力。     

前后缘机动襟翼数值计算研究

通过对前缘机动襟翼、后缘机动襟翼以及前后缘襟翼配合使用的状态作计算分析和比较,研究了机动襟翼在高亚音速段对构型气动特性的改善作用,为大后掠角、小展弦比机翼加装机动襟翼的改进设计提供了数值计算依据。     

前缘下垂远场低频宽频噪声特性

为了研究前缘下垂远场噪声特性,在北京航空航天大学D5风洞内开展前缘下垂增升构型远场噪声特性试验研究,并利用计算流体力学的方法补充提供增升构型附近流场信息。增升构型模型为前缘下垂搭配后缘襟翼,为了消除襟翼噪声干扰,后缘襟翼收起。研究表明,前缘下垂增升构型远场噪声频谱以宽频噪声为主。随着来流速度的增加,宽频幅值逐渐增加。其中,低频（200~400 Hz）宽频噪声幅值经过马赫数5次方归一化后吻合良好。随着迎角的增加,中高频宽频幅值变化不大,但是,低频宽频噪声幅值变化明显,先降低再增加。通过分析在不同迎角下,有效迎风面积、压力面DSM Dyneema布变形以及两者共同对远场噪声幅值的影响,发现远场低频宽频噪声幅值变化规律与模型附近流场变化有关。     

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。     

民用飞机增升构型前缘下垂参数影响分析

采用计算流体力学方法,针对基于典型二维多段翼型NACA0410设计的带前缘下垂构型的多段翼型进行数值模拟,研究了前缘下垂四种参数对多段翼升力特性的影响。在所研究的范围内,结果表明:1)在线性段,弦长增加与偏度增大对线性升力均有负面影响,但转轴高度与尾缘夹角对线性升力几乎没有影响;2)在近失速及失速段,弦长增加与尾缘夹角的提升,可明显提升升力;下垂偏度增加,以26°为界,小于该角度可提升升力,但大于该角度后,影响不再明显;随转轴高度下降,升力出现一定提升,但到2 mm后反而有所下降;前缘下垂尾缘夹角增大,可提升近失速段升力;3)四参数对升力影响主要体现在头部两段吸力峰的消长,设计中需综合考虑吸力峰特征,并加以应用。     

大型客机柔性后缘增升装置气动机构一体化优化设计

增升装置的设计对于大型客机来说是十分重要的,柔性可变弯的增升装置是未来大型客机的发展趋势,也是当前的研究热点。以某大型宽体客机内段翼型为研究对象,在襟翼内部的柔性变弯机构的带动下,可以使襟翼的后50%部分实现柔性变弯。在原始刚性襟翼的基础上,柔性变弯后的襟翼可使襟翼后缘增加8°的偏角。之后在三维后缘铰链襟翼机构的带动下,同时襟翼内部使用柔性变弯机构,采用\"前缘下垂+后缘襟翼柔性变弯+后缘简单铰链襟翼联合扰流板下偏\",进行起飞和着陆构型的二维气动/机构一体化优化设计,优化出来的结果与原始不柔性变弯的翼型相比,起飞构型的最大升力系数的增加量为0.119,着陆构型的最大升力系数的增加量为0.162,且着陆最优构型推迟1°迎角失速。     

桨叶翼型弯度对摆线桨悬停状态的气动性能影响

以悬停状态下的摆线桨为研究对象,利用数值模拟方法,分别研究了桨叶相对弯度X和最大弯度位置Y对摆线桨气动性能的影响。结果表明:与桨叶为对称翼型的摆线桨相比,当桨叶具有一定弯度且最大弯度位置适中时,摆线桨气动性能得到很大的提升。当桨叶相对弯度X为4%C(C为翼型弦长)、最大弯度位置Y距离前缘40%C~50%C时,摆线桨升力和气动功耗比较低,悬停效率最高,整体气动性能更好。      

后缘小翼对旋翼气动特性的控制机理及参数分析

针对后缘小翼（TEF）的典型运动参数对旋翼气动特性的控制进行了分析研究。为克服变形网格方法可能导致网格畸变的不足,发展了一套适用于前飞状态带后缘小翼旋翼的运动嵌套网格方法。基于非定常雷诺平均Navier-Stokes（URANS）方程、k-ω剪切应力输运（SST）湍流模型和Roe-MUSCL插值格式,采用含LU-SGS隐式推进的双时间方法及并行技术,建立了一套适用于带有后缘小翼控制的旋翼前飞非定常流动特性模拟的高效CFD方法。以带后缘小翼的SMART旋翼为算例,对比了桨叶剖面等效法向力的计算结果,验证了CFD方法的有效性。着重开展了前飞状态旋翼后缘小翼的控制分析,在操纵量不变的情况下,分别研究了后缘小翼偏转幅值、偏转频率、安装位置及宽度等参数对旋翼气动力的影响特性,获得了典型参数对旋翼气动特性的控制规律。进一步研究了配平状态下后缘小翼对旋翼气动特性的参数影响。结果表明：后缘小翼可以充分发挥旋翼在前行侧的升力潜能,同时降低后行侧动态失速过程中旋翼的阻力和扭矩;在相同的旋翼拉力情况下,通过安装后缘小翼可以将旋翼阻力系数和扭矩系数分别降低17%和29%,升阻比提高14%。     

电控旋翼气动特性建模与风洞试验验证

首先建立了带襟翼翼型的非定常气动力模型,继而基于Peters-He广义动态尾迹理论,考虑襟翼偏转对电控旋翼叶素环境的影响,建立了电控旋翼有限状态尾迹模型;进一步基于Theodorsen理论推导出电控旋翼桨叶挥舞响应与桨叶变距和襟翼操纵量的关系,综合以上建立了电控旋翼气动特性分析模型.以改进型电控旋翼试验系统为平台进行了风洞试验,测量了不同风速、不同襟翼操纵条件下的电控旋翼气动力、桨距、襟翼偏角及旋翼挥舞角的变化情况.理论计算结果与试验数据符合情况良好,验证了所建立的分析模型的正确性,并得出以下结论:旋翼转速一定时,桨叶变距与襟翼操纵基本呈线性关系;旋翼拉力随襟翼总距的增加而逐渐减小,襟翼总距较大时,其实际气动效率略有下降;前飞状态时,襟翼总距操纵会引起桨叶的纵向周期变距.      

用于电控旋翼气弹分析的带襟翼翼型气动力模型

为满足电控旋翼的气弹分析需要,给出了带襟翼翼型的综合时域非定常气动力模型,该模型可以计及襟翼移轴补偿的影响.之后通过与静态、动态风洞吹风数据的比较,验证了该模型的准确性.相关分析表明该模型在翼型未发生失速前具有良好的静、动态气动力预测能力.