大型水陆两栖飞机吹气襟翼设计与分析验证

针对大型水陆两栖飞机的使用特点和指标要求,以原型机翼为基础,重点开展机翼附面层控制增升装置设计技术研究,设计了附面层控制的吹气襟翼方案.采用计算流体动力学方法作为初步设计的评估手段,全面分析评估了设计方案的气动力特性和流场结构,最后通过风洞试验验证了该方案的增升效果.结果显示该设计方案在较宽的吹气动量系数范围内,最大升力系数均有不同程度的增幅,在吹气动量系数约为0.2左右时,获得最大的升力系数增量约为1.0,按照原型机的滑流影响规律推算,当采用吹气襟翼的主动流动控制方案后,起降速度能下降约30%,达到了设计指标.      

内吹式襟翼控制机理和失速特性

短距起降运输机对增升装置提出了更高要求,常规机械式增升装置已无法满足,内吹式襟翼系统是当今固定翼飞机最有效的动力增升形式.为推动该技术的工程应用,基于雷诺平均N-S方程,对某加装60°偏角无缝襟翼的亚声速翼型在环量控制作用下的流场进行数值模拟,研究了其在不同吹气动量系数下的气动特性及流动形态,分析了不同环量控制阶段增升机理、失速特性和吹气动量系数对失速特性影响规律.结果表明:内吹式襟翼增升控制效率(升力系数增量与吹气动量系数的比值)较高,在临界吹气动量系数下可达70,此时相较于无吹气状态,升力增加约125％;主翼上由于环量增加产生的升力增量是翼型升力增量的主要来源,约占总升力增量的78％;吹气动量系数增加可造成翼型气动中心后移;附面层分离控制区主要通过消除襟翼上的流动分离增加升力,超环量控制区升力的增加是由于尾缘下游的射流效应使流线进一步偏转而实现的;随吹气动量增加,附面层分离控制区的失速迎角提前,超环量控制区失速迎角略微推迟.     

前缘缝翼尾缘喷流对多段翼流场的影响研究

为了研究前缘缝翼尾缘剪切层对多段翼气动性能的影响,通过在前缘缝翼尾缘添加喷流的方式来改变缝翼尾缘处的剪切层。选取不同的喷流流量和流速等参数,利用CFD手段研究了喷流对缝道的速度分布以及多段翼各个翼面气动力的影响。多段翼二维非定常流场由有限体积法求解的二维非定常雷诺平均Navier-Stokes方程得到。分析结果得到:前缘缝翼尾缘添加喷流后对多段翼各个翼面压力分布和最大升力系数均有较大影响,其中,主翼最大升力系数、总的最大升力系数、前缘缝翼和后缘襟翼升力系数随着喷流动量系数增加而增加。     

多段翼型前缘缝翼吹气流动与噪声控制数值研究

根据吹气边界层流动控制的特点,探索了前缘缝翼流动控制和减噪技术。利用FLUENT软件对某多段翼型进行数值模拟,求解RANS方程和FW-H声学方程。在前缘缝翼下翼面设置吹气孔,通过改变吹气系数,研究缝翼缝道内吹气流动控制对二维多段翼型气动性能及噪声特性的影响。计算结果表明:应用缝翼吹气技术可在相同迎角下获得更高的升力系数,且能减小缝翼缝道内的分离,降低角涡引起的噪声;不同吹气系数对多段翼升力和噪声有不同程度的影响;迎角为6毅时,吹气控制可以使低频噪声减少2~4.5dB。     

Gao-Yong模型用于吹气环量控制翼型的研究

应用Gao-Yong湍流模型模拟了吹气对翼型表面分离流控制的影响.结果表明,该模型不仅能够对翼型绕流的分离点、表面压力分布、升阻特性等做出较好预测,而且还能模拟出控制分离的吹气效果:①有效消除翼面分离涡;②"裹携"翼面来流进一步提高升力系数.提高吹气动量系数,升力曲线上移的幅度也相应增加;而吹气角度对吹气射流"裹携"作用的强弱也有一定的影响,当吹气方向相对于翼弦偏上时,吹气射流"裹携"来流与消除分离涡的作用增强,升力提升更为明显.      

多段翼混合边界层改变对流场的影响研究

前缘缝翼尾流与主翼边界层混合的改变对主翼气动力具有重要影响.利用数值模拟手段,通过在前缘缝翼尾缘添加一定动量系数的喷流,改变前缘缝翼尾缘的尾流,进而改变尾流与主翼边界层的混合状况.求解二维多段翼模型30P30N在各个不同喷流条件下的二维非定常流场,结果表明:提高前缘缝翼尾缘喷流的动量系数,将使前缘缝翼尾流和主翼边界层混合开始点后移,提高主翼上表面负压峰值和主翼升力;混合开始点对主翼的负压峰值及升力均有一定的影响;增大来流攻角会抑制前缘缝翼尾流和主翼边界层的混合.     

定常吹气对无缝襟翼翼型地面效应影响的数值模拟

随着对生产成本、性能和可靠性、环境要求的不断提高,未来运输类飞机的发展趋势是具有更大的载重、更短的起降距离、更低的污染排放和噪声,因此迫切需要采用更高效和简单的增升和控制技术,而采用狭缝吹气的主动流动控制增强升力的方式已经被证明是最值得研究推广的应用技术之一。而在分析飞机起降性能时,必须要考虑到地面效应的影响,因此有必要对采用吹气进行增升的翼型地面效应进行研究。通过数值模拟方法研究了定常吹气对某无缝襟翼翼型地面效应的影响,研究表明,近地面在襟翼前缘施加吹气控制后,与远地面施加定常吹气控制相比,翼型升力线斜率和升力明显降低;小迎角下,动量系数为0.005时,升力随着距地高度的减小先减小后增加,动量系数增加到0.01后,升力随着距地高度的减小而减小;无缝襟翼翼型在不同动量系数和不同距地高度时出现的不同程度升力减小的现象,能直接影响飞机的起降性能,是采用吹气控制进行增升设计时必须考虑的因素。     

复合无人飞行器气动特性研究

基于对复合无人飞行器三维流场数值模拟计算,比较分析了串列翼布局方案和单机翼布局方案复合无人飞行器在巡航状态下的气动性能优劣.分析了串列翼系统中前后翼气动特性上的差别,前翼的气动效率要高于后翼,前翼要先于后翼失速.研究了前后翼垂直相对距离对串列翼气动性能的影响.计算了不同迎角下全机的气动力系数,通过分析机身和机翼对全机气动力贡献情况,建议对于复合无人飞行器气动设计,机翼设计以获得较大的升力系数为目标,机身设计以获得最小的阻力系数为目标.     

水陆两栖飞机内吹式襟翼优化设计

为改善某型水陆两栖飞机的起降性能,提高其抗浪能力,需设计高性能吹气襟翼以满足其性能要求。本文在国内外已有的吹气襟翼研究基础上,结合飞机气动综合优化设计框架及计算流体力学(CFD)的优势,以设计出高气动效率及工程实用性的内吹式襟翼方案作为设计目标,对内吹式襟翼的基本形式、吹气缝道位置及喷缝参数等进行综合优化设计,最终通过风洞试验来验证优化设计方案的有效性。从分析及验证结果来看,通过本优化设计方法所设计的内吹式襟翼,能在使用相同吹气动量系数的条件下,明显推迟襟翼上的气流分离,实现最大升力系数20%左右的提升,显著提升了内吹式襟翼的气动效率,为进一步实现内吹式襟翼的工程应用奠定了基础。     

近耦合鸭式布局鸭翼展向吹气涡控技术数值模拟研究

采用鸭翼展向吹气间接涡控技术,对后掠角为50°的主翼和鸭翼气动布局进行数值模拟,给出不同吹气动量系数下的数值模拟结果,建立了鸭翼吹气动量系数与布局气动力系数之间的关系。并针对该布局模型,将风洞测力、测压以及水洞流动显示试验结果与数值模拟结果进行了详细的分析比较,结果表明,对鸭翼实施展向吹气技术,确实可以延迟和控制主翼涡破裂、增大升力的效果,在大迎角下把鸭翼作为涡发生器对主翼进行控制是可行的,计算结果与试验结果定性上是吻合的,是可以模拟这种复杂流场的。     

现代飞机前缘缝翼作动装置——齿轮-齿条的设计技巧

前缘缝翼在飞机起飞、降落中起到提高飞机升力、改善飞行性能的重要作用。新型的缝翼作动装置—齿轮-齿条,由于构思巧妙、占用空间小、重量轻而备受重用。在小齿轮与大圆弧齿条设计中,诸多参数的确定、关键细则的设计、全机多作动装置的协调、故障载荷的计算与深入分析,构成了其设计的重点和难点。采用此方法研制的齿轮-齿条装置已成功应用在飞机中。     

脉冲吹气对无缝襟翼翼型气动性能的影响

只有采用足够小的能量输入,获取更大的空气动力收益后,主动流动控制才有可能在真实飞机上获得更广泛的应用。脉冲吹气比定常吹气所需能量更少,控制效果更好,在改善翼型气动性能上得到广泛的研究。数值模拟了脉冲频率、占空比、动量系数等参数对无缝襟翼翼型升阻特性的影响规律,研究表明,脉冲频率接近于涡脱落频率时增升效果最好,当脉冲频率小于涡脱落频率时,阻力增加,当脉冲频率为涡脱落频率2倍时,阻力减小最多;动量系数较小时,占空比越小,冲击效应越强,增升效果越好;动量系数小于临界动量系数时,脉冲吹气增升效果优于定常吹气,当动量系数大于临界动量系数时,脉冲吹气控制效果低于定常吹气。研究脉冲吹气参数对翼型性能的影响规律,对采用周期性激励增升减阻、舵面增效的飞行器设计具有一定参考意义。     

襟翼吹吸气控制技术在二维多段翼型中应用的数值模拟

飞机在增升装置打开的情况下,襟翼后缘流动分离严重,阻碍升力系数的增加,可以采取主动流动控制的方法控制分离,提高升力系数。本文利用FLUENT 6.3.26软件,针对某多段翼,在襟翼上翼面设置吹吸气孔,分别进行吹、吸气控制,通过改变流量和孔的位置,进行了襟翼上翼面吹、吸气流动控制对二维多段翼型升力性能影响的数值模拟。计算结果表明:应用吹、吸气技术均可获得更高的升力系数,且能延迟边界层的分离;不同的吹吸气孔流量、位置,对多段翼升力增量有不同程度的影响。     

复杂几何细节对增升装置气动性能影响研究

 采用数值模拟的方法研究了主翼翼根几何形状、翼吊发动机短舱、缝翼滑轨及襟翼滑轨舱等几何细节对增升装置气动性能的影响。研究结果表明:切割前缘缝翼时,将大部分翼根整流包留在主翼上会在大迎角下产生低能量的分离涡,造成增升装置气动性能显著恶化,而将大部分翼根整流包切割到前缘缝翼上,能破坏低能量分离涡的产生;大迎角下,短舱上表面、挂架表面及缝翼与挂架之间的间隙产生的分离气流会直接流到主翼上表面,形成大范围的死水区,因此,大尺寸的翼吊发动机短舱会造成增升装置失速迎角及最大升力系数的大幅减小,但安装在短舱适当位置、适当形状的涡流片产生的强漩涡能消除大部分的死水区,挽回部分气动性能损失;缝翼滑轨产生的低能量尾迹会混入主翼附面层,使其能量降低造成升力系数减小,极端情况下缝翼滑轨会直接诱发大范围的流动分离,造成增升装置气动性能的显著恶化;襟翼滑轨舱因其较大的几何尺寸会减小襟翼缝道的面积使得襟翼缝道射流加速,有利于吹走襟翼表面的物面分离。     

民用飞机增升装置载荷设计技术研究

增升装置是机翼上用来改善气流状态和增加升力的一套活动面板,可在飞机起飞、着陆和低速机动飞行时增加机翼剖面弯曲度和有效迎角,因此对提升大型民用飞机的起飞和降落等低速性能,包括进场姿态有着决定性的影响。飞机在起降中一般要求尽量减小飞行速度和缩短滑行距离,同时要达到比较大的升力系数,这就意味着增升装置此时也具有较大的偏度,作用在上面的载荷也会比较大。因此,大型民用飞机增升装置的载荷计算是其设计工作中的重中之重,在民用飞机载荷设计过程中有非常重要的意义。主要介绍了民用飞机增升装置载荷的计算原理及设计方法,给出了一套襟缝翼气动和惯性载荷的工程算法。     

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.     

基于前缘缝翼微型后缘装置的多段翼型被动流动控制

以麦道航空公司的三段增升构型为研究模型,采用剪切应力输运(SST)k-ω湍流模型在C-H型多块结构网格上求解二维非定常雷诺平均Navier-Stokes方程,研究了前缘缝翼微型后缘装置(MTED)在多段翼型被动流动控制中的应用。由于MTED改变了实际的缝翼缝道参数,因此首先研究了作为主要改变量的缝道宽度对该三段翼型气动性能的影响,当缝道宽度从参考构型的2.95%c增加至3.98%c时,最大总升力系数约减小4.61%。当在不同缝道宽度基本构型上增加相同MTED时,计算结果表明它对各个翼段的影响定性一致,即前缘缝翼升力增加、主翼升力减小以及后缘襟翼升力基本不变化。这些升力变化的综合作用是:MTED构型线性段总升力系数的变化不大,失速段的变化取决于缝道宽度,当缝道宽度为3.98%c时,高度为0.50%c的MTED构型的最大总升力系数约增加6.98%。