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。     

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。     

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。     

Aerodynamic optimization and mechanism design of flexible variable camber trailing-edge flap

Trailing-edge flap is traditionally used to improve the takeoff and landing aerodynamic performance of aircraft.In order to improve flight efficiency during takeoff,cruise and landing states,the flexible variable camber trailing-edge flap is introduced,capable of changing its shape smoothly from 50% flap chord to the rear of the flap.Using a numerical simulation method for the case of the GA(W)-2 airfoil,the multi-objective optimization of the overlap,gap,deflection angle,and bending angle of the flap under takeoff and landing configurations is studied.The optimization results show that under takeoff configuration,the variable camber trailing-edge flap can increase lift coefficient by about 8% and lift-to-drag ratio by about 7% compared with the traditional flap at a takeoff angle of 8°.Under landing configuration,the flap can improve the lift coefficient at a stall angle of attack about 1.3%.Under cruise state,the flap helps to improve the lift-todrag ratio over a wide range of lift coefficients,and the maximum increment is about 30%.Finally,a corrugated structure–eccentric beam combination bending mechanism is introduced in this paper to bend the flap by rotating the eccentric beam.     

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。     

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。     

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.     

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。      

仿生减阻翼型的气动性能

利用一种基于滑移边界理论的仿生肋条结构的模化方法,对仿生减阻翼型的气动性能开展了数值模拟研究.结果 显示:肋条结构同时布置在翼型压力面和吸力面湍流区域时,仿生减阻翼型的阻力可降低1.73％～3.07％,升阻比可提高2.10％～4.08％,其中黏性阻力的减小是总阻力下降的主要原因.对流场分析表明,仿生减阻翼型的速度曲线出...     

可变正弦前缘对直机翼气动性能影响的研究

通过风洞测力实验,研究了可变正弦前缘对直机翼气动性能的影响。可变正弦前缘为平板式,安装于NACA0015直机翼的前驻点处,并能自由伸展与缩回。风洞实验结果表明：加装可变正弦前缘后,直机翼呈现出缓失速特性,失速后的升力系数均有不同程度的提高,大迎角下的气动性能得到改善。可变正弦前缘伸展长度对气动性能的影响研究表明,其伸展长度是影响机翼气动性能的重要参数,只有伸展长度较小时,才能获得较好的气动性能。