平面布局对MAV气动性能影响的试验研究

固定翼微小型飞行器(MAV)飞行雷诺数低,属于低雷诺数空气动力学研究范畴.本文对不同尺寸的矩形翼、混合翼、梯形翼、齐默曼翼与反齐默曼翼平面布局MAV模型进行风洞测力试验.对比了各种平面布局气动特性,其中混合翼、反齐默曼翼和梯形翼较好地利用了前缘涡产生的涡升力,有良好的升力特性;展弦比较小的机翼表面脱体涡强度较大,改善了大迎角下的气动特性;大后掠角梯形翼有较好的过失速特性.     

基于数值风洞的鸭翼-前掠翼布局涡干扰特性研究(英文)

基于高性能数值风洞,在低雷诺数下对前掠翼布局中鸭翼涡和主翼涡之间的干扰机理进行了研究,着重研究了前掠翼鸭式布局中鸭翼位置对纵向气动特性影响的机理,发现鸭翼和主翼之间的气动力干扰与相互的耦合作用在全机的升力特性和稳定性方面做出了很大的贡献。随着鸭翼的引入,可以从根本上改善主翼表面的流态,由它产生的自身脱体涡涡系对主翼涡系能够产生有利干扰,可以有效的控制边界层的气流分离。中小迎角时,其气动特性的提高主要取决于鸭翼和主翼的相互位置;而大迎角飞行时,则还与主翼和鸭翼自身产生涡系的强度、位置、破裂早晚以及相互的控制力有关等。并展开速度矢量图、空间流线图以及压力云图对其不同的气动布局和涡系进行了分析.     

'W'型无尾布局流动机理研究

基于NS方程数值模拟方法,研究了‘W’型无尾布局的流动机理。与参照前掠翼布局相比,‘W’布局优越的气动性能来源于其流动形态的变化:小迎角时,翼身融合升力体设计,使机体表面流动更为通畅,升力增加,机体部件干扰减小,部分补偿了因机身加宽,浸润面积增大带来的摩擦阻力,使总阻力没有明显增加。α≥6°,‘W’布局具有新的流动结构,机翼上表面流动由侧缘涡和前缘涡及其诱导的二次涡所控制,侧缘涡与前缘涡之间产生有利干扰,增强了对机翼表面流动的控制能力,不仅带来涡升力,而且有效控制了前掠翼根部流动分离,是其具有优越纵向气动性能的物理原因。‘W’布局新的流动结构为其横侧气动性能改善奠定了基础,为进一步完善布局设计提供了理论依据。     

非线性涡格法应用于大攻角战术弹新进展

应用非线性涡格法（ＮＶＬＭ）计算了大攻角战术弹的气动性能。通过迭代方法、分离涡理论模型的改进，以及采用一系列算法技巧，克服了收敛性上的困难。成功地模拟带弹身脱体涡的翼体组合和翼体尾组合各种分离涡和非线性气动性能；其中包括更为复杂的“××”布局。大大增加了ＮＶＬＭ在工程实用中的适应性和灵活性。     

小展弦比弹翼和翼-身组合体大攻角气动特性的数值计算

大攻角时,绕尖前缘细长弹翼上的附面层从前缘分离而形成脱体涡,对于翼-身组合体,除了弹翼上产生脱体涡以外,在弹身背风面上的气流亦发生分离而形成脱体涡(如图1所示),在这些涡系的作用下,使弹翼或翼-身组合体的气动特性随攻角呈非线性变化。     

细长翼分离涡的布涡计算法

 细长翼在迎角稍大时,前缘卷起螺旋状分离涡,使上表面压力降低,升力增加。涡襟翼技术也是利用前缘涡的这一特性提高升阻比的。为计算有分离涡的机翼特性,须研究分离涡层的卷起和涡层之间相互干扰的计算方法。早期Brown和Michael,Smith等在锥形流假设下,应用细长体理论计算过三角翼的气动特性。Sack和尹协远等放弃锥形流假设,用离散涡代替脱体涡层,但仍用保角转绘法处理横流面内绕翼面流动。这类方法对横截面形状较复杂的细长翼（如带涡襟翼的机翼）,因转绘函数复杂,计算困难。本文为避免转绘带来的困难,采用直接布涡法计算有分离涡的机翼气动特性。     

高阶谐波控制对旋翼桨-涡干扰载荷和噪声的影响

直升机小速度平飞和斜下降飞行时会产生严重的桨-涡干扰(BVI)噪声。基于修正Beddoes尾迹/桨叶动力学耦合方法和Farassat 1A公式,建立了一个新的能够计入高阶谐波控制(HHC)影响的旋翼桨-涡干扰气动载荷和噪声计算模型。在该模型中,高阶谐波控制引起的桨尖涡附加位移通过对高阶入流进行时间积分推导得出,而单一阶次的谐波输入引起的各阶谐波响应通过传递函数来确定,传递函数则由桨叶的动力学特性计算。首先对HARTⅡ旋翼斜下降飞行状态的桨-涡干扰气动载荷进行了计算模拟,验证了所建立方法的可靠性。然后,着重研究了在典型的三阶谐波桨根激励下,不同输入相位对HARTⅡ旋翼桨-涡干扰气动载荷和噪声特性的影响。结果表明:桨叶的动力学特性尤其是扭转特性对高阶谐波控制效果影响显著,且高阶谐波输入的相位选择对桨-涡干扰噪声的控制至关重要,若控制相位选择不当,反而会增大旋翼噪声。     

分裂叶尖概念型风力机叶片的气动设计与数值优化研究

针对基于分裂叶尖布局的概念型水平轴风力机的气动特性,利用计算流体力学(CFD)方法展开数值模拟研究,并与自由涡尾迹方法的分析结果进行了验证。在以NREL phase VI叶片为基本布局的基础上,研究了合理布局的分裂叶尖小翼之间的相互作用对大风速下风力机叶片流动分离与总体气动特性的改善效果。上述数值模拟结果均表明,通过合理设计分裂叶尖布局,叶尖小翼能够产生多个叶尖涡结构,并提供额外的前缘吸力峰值,对中大风速下风力机叶片整体性能起到有利的改善作用;另一方面,原始设计产生的单一集中涡得到分散,流向涡强度以及近尾迹区的诱导影响进一步受到削弱。在此基础上,借助于基因算法分别针对初步计算得到的各叶尖小翼的主要几何参数进行了多目标数值优化,获得了具有较高风能利用效率的分裂叶尖布局设计解集。     

细长旋成体大迎角俯仰振荡的数值研究

为研究俯仰振荡对细长旋成体流场与气动特性的影响,利用雷诺平均方法与大涡模拟的混合方法相结合的脱体涡模拟方法对大迎角下细长旋成体俯仰运动进行了数值模拟研究。通过对背风面分离涡的强度和位置、细长体绕流形态、截面压强系数和侧向力系数的观察和分析,发现施加小振幅、特定频率的俯仰振荡对大迎角细长旋成体背风面流场有明显的控制能力,...     

非定常薄翼脱体涡数值计算

本文考虑无粘、不可压缩流中平板薄翼在大迎角下气流沿边缘分离出现脱体涡时的非定常气动载荷数值计算。采用离散涡格法,从某一初始备件开始,计算一系列时刻机翼的非线性气动载荷以及脱体涡的几何形状,从而了解脱体涡的形成过程。当保持边界条件不随时间改变,则随着计算时刻的增加,结果趋近于稳态解。算例计有矩形翼、箭形翼。     

超声速细长飞行器前置小翼展开过程的非定常特性

针对大长细比飞行器外形超声速大迎角条件下前置小翼展开过程引起的非定常问题,应用结构动网格技术和基于脱体涡模拟（DES）的非定常数值模拟技术进行了研究,获得了详细的小翼展开过程流场结构非定常变化特性,并分析了小翼展开引起的法向力、纵向压心系数等气动特性随展开角度的变化规律。研究结果表明：超声速大迎角条件下前置小翼展开过程对小翼附近区域以及尾舵区域产生了强烈的干扰影响。小翼完全展开后,压心前移4.1%,降低了飞行器静稳定性,法向力系数增加15.6%,提高了气动过载,对飞行器机动性能均产生有利影响。     

翼身融合布局飞机机体-发动机气动干扰效应

翼身融合（BWB）布局飞机是一种相对较新的飞行器概念,具有商业运输飞机的潜在用途。研究表明,翼身融合布局客机可获得比常规布局客机更好的性能。但是,由于各方面限制,BWB飞机不宜使用传统的机翼安装或机身安装的发动机布局,发动机背部安装成为首选布局。然而,背部安装发动机容易产生激波、分离、进气畸变等空气动力干扰问题,发动机与机身一体化的气动设计已成为BWB飞机发展的关键技术。针对BWB布局飞机的机体和发动机之间的气动干扰进行了数值研究,结果表明,背部安装发动机对BWB布局飞机的全机气动特性和发动机本身的推力性能都会产生较为明显的影响。     

战术弹亚声速纵横向非线性气动力计算研究

基于势流方程,进一步发展了非线性涡格法,计算研究了“ＸＸ”布局战术弹的纵横向非线性气动性能;与实验数据比较表明,本法适用于Ｍ∞≤０．８,α∞≤１５°。由于该法只需要在物面上划分网格,涡迹的松弛迭代都不超过３０次,使得该法具有适应性广、省机时、使用方便、计算准确的特点。每次计算能详细提供各部件的气动干扰性能以及分离涡的强度和位置,成为气动外形设计、研究的有力手段。     

战术导弹亚声速纵横向非线性气动力计算研究

基于势流方程,进一步发展了非线性涡格法,计算研究了“ＸＸ”布局战术弹的纵横向非线性气动性能;与实验数据比较表明,本法适用于Ｍ∞≤０．８,α∞≤１５°。由于该法只需要在物面上划分网络,涡迹的松驰迭代都不超过３０次,使得该法具有适应性广、省机时、使用方便、计算准确的特点。每次计算能详细提供各部件的气动干扰性能以及分离涡的强度和位置,成为气动外形设计、研究的有力手段。     

不同轴长比椭球体的绕流计算与分离形态分析

用拟压缩性方法求解不可压Ｎ－Ｓ方程,对４∶１旋成体椭球和其他轴长比椭球的层流绕流进行数值模拟。分别用二阶中心差分格式和三阶迎风紧致差分格式来逼近无粘项。从计算所得的表面摩擦应力线、空间流线和横截面流场特性,分析了１０°≤α≤７０°迎角范围内的分离和脱体涡系形态,算出了相应的气动特性。计算结果表明,三阶迎风紧致差分比二阶中心差分可更好地模拟分离涡结构。迎角直到４０°时,算出的流态仍然对称,而迎角为７０°时,算出的流态为非对称非定常,与实验流态基本相符。椭球体横截面形状越扁平,开式分离就越提前产生。椭球体横截面形状横向越窄,分离区就越小。由于改变椭球体横截面形状具有改变分离和脱体涡系的效果,本文的研究结果有助于改善三维物体的气动力特性,为改进机体设计提供理论依据     

机翼掠角对前掠翼布局气动性能影响的流动机理

采用N-S方程和SST模型数值模拟方法,对比了前掠翼和后掠翼飞机气动性能的差异,对不同前掠角前掠翼布局的飞机纵向气动性能进行了比较,分析了其流动特性,总结了前掠角对前掠翼布局气动性能的影响.研究结果表明,前掠翼与后掠翼气动性能差异的根源是展向速度的不同;小迎角(α<16°)时,前掠角较小的模型气动效率较高,升力系数和升阻比也较大;大迎角(α>16°)时,随着前掠角的增大,前缘涡和侧缘涡增强,对翼面流动产生有利控制,因而前掠角大的模型升力系数较大.该研究可为前掠翼布局的设计提供理论依据.     

气流沿尖锐机翼边缘分离时的气动载荷的数值计算

 本文考虑定常、无粘、亚音速流中任意平面形状的平板机翼在大迎角下气流沿尖锐边缘分离出现脱体涡时的气动载荷数值计算。采用涡格法,对旋涡强度与前、侧缘脱体涡线和后缘尾涡线的位置进行松弛迭代计算,取得了收敛的结果。本方法对机翼平面形状没有限制,只要假定其尖边缘处气流产生分离。本方法还用于前后翼干扰计算,其中前翼被假定沿尖边缘产生气流分离。算例计有三角翼,矩形翼,箭形翼和后退梯形翼以及前后翼干扰等。不可压情况和可压缩流情况都分别进行了计算,计算结果与可以找到的实验数值进行了比较,结果很接近。     

连接翼布局气动特性研究

在一个小型低速风洞中进行了五种不同布局形式的连接翼方案实验研究。利用油流法研究了三种连接翼的流谱,初步分析了具有连接翼飞机的气流流动机理。为比较,同时对三角翼常规布局方案进行了实验,所有方案使用相类似的隐身布局机身。实验结果表明,连接翼布局有其特有的流型:翼面分前翼、后翼及外翼三部分,其流型受前翼涡、后翼涡、翼端涡、机身边条涡以及它们互相缠绕形成的新涡的控制。这些涡的产生、发展、离体和破裂的情况不同,形成不同方案气动特性的差别。连接翼布局气动特性优于常规翼布局,特别是最大升阻比可达12以上,失速迎角超过30°。通过前后翼后缘操纵面的有利组合,可以达到提高升阻比,满足纵、横向稳定性和操纵性要求的目的。结果显示,具有扁平机身的连接翼方案是一个有潜力的无人机布局形式。     

前掠翼融合体无尾布局流动控制技术

通过风洞试验研究了前掠翼融合体无尾气动布局（FBB布局）的流动控制技术。研究结果表明,FBB布局设计使前掠翼的前缘涡与融合于机体的大后掠侧缘的侧缘涡的发展过程达到了较为理想的匹配,有效控制布局的流动是FBB布局获得突出纵向气动性能的主要物理根源。针对大迎角状态提出的两段可动式侧板流动控制技术,通过可动段与固定段前缘之间形成收缩型缝道,将机身下表面的高能气流引入上表面增强了机体侧缘涡,加强了对机翼根部和后体流动的控制、减缓机翼根部分离、控制机头分离区,既可提供俯仰控制力矩,又不损失升力,改善了失速特性,有利于FBB布局的纵向配平和俯仰控制。FBB布局的流动控制设计思想和两段可动式侧板控制技术为无尾布局飞机设计提供了一条崭新的思路。     

带边条后掠翼融合体隐身布局的应用研究

应用棱边边条和小展弦比大后掠角机翼融合设计，使边条涡稳定机头的脱体涡改善机翼根部流场；同时合理配置前翼，使鸭翼产生的涡流流经机翼时，加强了机翼上表面的主体涡流强度，推迟了机翼表面流态分了，提高了机翼的非线性升力。特别在大攻角时，边条涡处在机翼上表面与鸭翼自由涡和机翼主体涡相干涉，形成了三涡一体的非线性升力，极大地改善了全机的流动特性。经实验证明，该布局提供的方案，具有与同类普通布局为高的升力线斜率