一种平尾涡流发生器设计和流动控制研究

在飞机表面安装涡流发生器,可以起到改善当地流态的作用,达到减阻、增升、降噪、减小旋流畸变的目的,而平尾的气动特性直接影响飞机的飞行安全。基于改善飞机平尾在负迎角下流动特性的应用需求,设计一种安装于平尾下表面的涡流发生器。通过数值模拟方法研究平尾在不安装涡流发生器和安装涡流发生器两种构型下的流动特征和机理,分析飞机在负迎角下的俯仰力矩特性。结果表明：安装涡流发生器的平尾负失速迎角推迟了4°,负迎角下的俯仰力矩拐点推迟了4°左右,拓宽了飞机的飞行边界。     

涡桨飞机螺旋桨滑流气动干扰效应及流动机理

螺旋桨滑流对飞机各气动部件的干扰是涡桨飞机气动设计中面临的难点之一。以某双发涡桨支线客机为对象,采用数值模拟手段分析了滑流对机翼、平尾、垂尾的影响及其流动机理。计算采用基于动态面搭接网格技术的非定常方法,气动力与表面压力分布的计算结果均与实验值吻合良好。研究结果表明：在滑流影响下,全机升力和阻力有所增加,升阻比和纵向静稳定度有所降低,并在无侧滑状态下产生了滚转力矩和偏航力矩;在不同展向位置,滑流对机翼表面流动分离的影响存在显著的差异。在螺旋桨下行运动一侧,滑流的旋转减小了当地迎角,同时桨后气流速度较高,翼面流动分离被有效抑制。在螺旋桨上行运动一侧,滑流的旋转增大了当地迎角,而且桨后气流速度较低,因而翼面流动分离并未得到明显改善;在中小迎角下,滑流对背景飞机平尾当地的动压没有产生影响,但增加了下洗角变化率,进而导致平尾效率降低;垂尾的侧力与偏航力矩是由滑流的侧洗引起的,而滑流的侧洗又与左右两侧机翼升力分布的不对称性有关。     

滑流对飞机纵向静稳定性影响的数值模拟

针对某"机身+机翼+襟翼+短舱+螺旋桨+平尾"简化构型,开展低速大拉力系数工况下强螺旋桨滑流的数值模拟。模型为翼吊双发布局,动力计算时分为三个计算域,分别为两个包含螺旋桨的旋转域和一个静止域。采用商业软件ICEM CFD生成多块面搭接非结构网格,在机体表面和滑流区域对网格进行加密以便于捕捉螺旋桨滑流的发展及其与机翼、尾翼等部件之间的干扰。采用ANSYS CFX软件求解雷诺平均Navier-Stokes方程,使用多参考坐标系(MFR)方法模拟螺旋桨的旋转。基本构型有/无动力的计算结果表明螺旋桨动力及其产生的滑流对模型的纵向静稳定性影响较大,模型的纵向静稳定性在迎角较小时下降明显甚至丧失,在迎角较大时反而略有增加。一般而言,涡桨飞机平尾处的流场受气动布局、迎角、机翼及襟翼的下洗和螺旋桨滑流及其强度等因素的共同影响。对模型各部件的俯仰力矩特性及尾翼区流场细节进行详细分析可知,小迎角时飞机纵向静稳定性的下降是由于平尾受到机翼及襟翼较强的下洗作用而导致效率下降,而此时平尾没能进入滑流区,不能有效利用滑流区内高能气流来提高平尾效率。并且由于两个螺旋桨同为逆时针旋转,右侧平尾的贡献高于左侧平尾。为了验证这一结论,分别将螺旋桨向上平移0.7m和将平尾下移0.86m并进行数值模拟,结果表明平尾对模型纵向静稳定性的贡献均有增加。     

民用飞机低速俯仰力矩特性改善研究

针对某民用尾吊飞机低速时俯仰力矩上仰的情况,研究了一种新型的改善措施——内侧缝翼截短。采用数值模拟方法对其基本着陆构型以及改善措施的气动特性进行研究,给出了在大迎角下工作的流场特征,分析了改善措施改善俯仰力矩特性的流动机理,并对改善措施对发动机进气畸变的影响进行了评估。研究结果表明:低速俯仰力矩形态取决于机翼的分离位置;分离从外侧开始会使飞机"抬头",分离从内侧开始会使飞机"低头";平尾提供的俯仰力矩决定了总的俯仰力矩;分离从内侧开始使飞机"低头"的主要原因是降低了机翼对平尾的下洗;改善措施在失速迎角内不会对尾吊飞机的发动机进气产生影响。     

螺旋桨飞机俯仰力矩特性改进方法

螺旋桨滑流对飞机各部件的气动干扰造成飞机的俯仰力矩特性恶化,危害飞行安全。开展螺旋桨滑流对螺旋桨飞机俯仰力矩特性的影响机理研究和螺旋桨滑流作用下螺旋桨飞机俯仰力矩特性改进方法研究十分重要。采用动态重叠多块结构网格,通过求解非定常雷诺平均可压缩Navier-Stokes方程,数值模拟了某螺旋桨飞机不同拉力系数下降落构型的绕流流场。结果显示螺旋桨滑流对机翼、平尾的气动干扰是导致飞机俯仰力矩特性恶化的主要原因,改进螺旋桨飞机俯仰力矩特性的关键是改进其平尾的升力特性。以拉力系数等于0.4时的降落构型为优化对象,开展了俯仰力矩特性的改进方法研究,包括降低平尾高度、改变平尾上反角、抬高螺旋桨轴线等方法。研究发现在不增大机翼对平尾整体下洗强度的前提下,减小平尾和螺旋桨轴线的垂向距离,可以明显地改善螺旋桨飞机的俯仰力矩特性。     

民用飞机平尾载荷的不确定性及全局灵敏度分析

针对飞行载荷计算输入数据的随机不确定性会导致载荷计算结果波动的现象,采用Monte Carlo模拟方法和基于方差的全局灵敏度分析方法对民用飞机急剧俯仰机动随机平尾载荷进行不确定性及全局灵敏度分析。具体分析了飞机气动特性和重心的不确定性对迎角贡献平尾载荷、升降舵偏度贡献平尾载荷及平尾总载荷的影响,进一步通过全局灵敏度分析找出影响平尾载荷计算结果的主要因素。不确定性分析结果表明:气动特性和重心的不确定性导致迎角贡献平尾载荷的波动程度很大。灵敏度分析结果表明:1)升降舵偏度贡献平尾载荷只受升降舵效率的影响;2)迎角贡献平尾载荷主要受无尾飞机零迎角俯仰力矩系数和重心的影响;3)平尾总载荷受升降舵效率的影响最大,受无尾飞机零迎角俯仰力矩系数及重心的影响次之。此外也验证了方法的有效性,对提高飞行载荷的计算精度有一定的指导意义。     

基于非结构重叠网格的螺旋桨滑流非定常数值模拟

基于各向异性非结构混合网格及多套网格重叠技术,通过求解非定常雷诺平均Navier-Stokes(URANS)方程,分别研究了螺旋桨动力特性和螺旋桨滑流对涡桨飞机气动特性影响。运用物面相交准则实现多套网格间的挖洞,采用距离权和三线性插值技术传递重叠区变量信息,并针对定轴旋转优化了网格重叠边界。采用双时间步求解控制方程,内迭代计算采用LU-SGS(lower-upper symmetric Gauss-Seidel)方法。模拟了单独螺旋桨旋转的非定常流动,计算的拉力系数和扭矩系数与试验结果一致,表明采用的数值方法和网格技术能有效模拟螺旋桨滑流效应。数值模拟了某涡桨飞机,对比了有无滑流下飞机的气动特性,给出了滑流对飞机影响。结果表明:滑流导致其后部气流加速和旋转,改变飞机气动特性,增大飞机的阻力和俯仰力矩,导致气流下洗,影响机翼及平尾压力分布。      

四发螺旋桨滑流对某运输机气动特性的影响研究

四发螺旋桨飞机滑流影响区较大,需要准确获得滑流引起的升力、阻力和俯仰力矩特性的变化以评估飞机的飞行性能和品质.采用动力模拟风洞实验研究某运输机在滑流影响下的气动力特性,包括升阻特性、俯仰力矩特性和升降舵效率,并采用七孔探针技术测量平尾区的尾流场特性.结果表明:滑流对气流加速的效应使得飞机的升力、阻力均有增加,升阻比在典型巡航和爬升状态下分别降低了6％和20％;滑流随迎角的增加从下至上扫掠过平尾,使得俯仰力矩和升降舵效率出现明显的非线性变化.     

翼吊低平尾飞机尾迹测量研究

平尾是影响全机纵向力矩的首要部件,翼吊低平尾飞机平尾处的流场受到翼身组合体尾迹的影响.为了摸清尾迹的特点,利用七孑探针测量平尾处的动压及下洗角,得到平尾处流场动压损失以及下洗角随飞机迎角变化的气动特点.结果表明:在接近最大升力系数时,平尾处流场动压损失严重,降低了平尾的气动效率,导致全机的纵向力矩失稳.研究结果对大飞机的气动特性优化工作具有指导意义.     

考虑动力影响的大型运输机增升构型气动特性研究

为满足现代大型运输机增升系统高效、稳定的设计需求,以某型运输机增升构型为研究对象,通过数值模拟方法研究了动力因素对全机气动特性的影响。数值模拟结果表明:在动力因素影响下,全机最大升力系数增加46.2%,失速迎角增加11°;全机静安定度降低30.89%。通过流场机理分析可知:动力因素不仅对短舱后方襟翼当地流场有较大改善,而且对短舱和主翼上表面流场以及平尾当地迎角也有显著影响。基于以上结论,在运输机增升构型设计过程中,要充分考虑动力因素对各个部件当地流场的影响以提高升力特性;同时要权衡动力因素使机翼低头力矩增加、平尾低头力矩降低这两种趋势相反的影响结果以改善俯仰力矩特性。     

无尾布局嵌入式舵面的大迎角纵向操纵能力研究

 针对某前掠翼翼身融合无尾布局由鸭面与尾舵组成的纵向基本控制舵面在大迎角状态操纵效率降低的问题,采用数值模拟方法研究一种机身下表面嵌入式新概念纵向操纵舵面实施大迎角纵向操纵补充的可行性。提出了嵌入式舵面的设计思想,研究了嵌入式舵面高度、偏度及其与尾舵组合时的相对位置等参数影响,提出了嵌入式舵面的设计原则、流动机理以及提供低头力矩增量的作用原理。研究结果表明:嵌入式舵面是无尾布局飞机大迎角纵向操纵的高效补充措施,单独使用,最大可提供约平衡10°迎角的低头操纵力矩,并对升阻特性影响很小;与尾舵组合使用,在研究迎角范围内(迎角α≤32°),可提供约6°迎角的低头平衡力矩增量,且对升阻性能产生有利影响。本文工作可为其他翼身融合无尾布局的气动舵面设计提供借鉴。     

鸭式飞机矢量喷流对大迎角气动特性的影响

针对单发鸭式布局飞机，通过低速风洞试验，研究了矢量喷流对飞机大迎角气动力的影响特性。研究结果表明：发动机喷口直径变大使得飞机大迎角升力和阻力系数增加，并产生低头力矩系数。喷流使得飞机大迎角升力和阻力系数明显增加，并产生低头力矩系数；大喷口状态喷流影响比小喷口状态高50%左右。发动机喷管上/下偏转时，矢量喷流对飞机上下表面气流诱导不对称，喷管上偏减小升力和阻力系数、产生抬头力矩系数，喷管下偏增加升力和阻力系数、产生低头力矩系数，且喷管下偏影响明显比上偏大。在此基础上，基于数值模拟结果对喷流与飞机主流的相互作用机理进行了分析。     

尖侧缘机身布局的俯仰力矩特性及扰流板控制

针对尖侧缘机身布局在大迎角下存在的正俯仰力矩（抬头力矩）问题,通过风洞试验,首先研究了俯仰力矩的迎角分区特性及流动演化规律：线性增长区（迎角为0°~15°）,俯仰力矩线性增加,全机从附着流到形成进气道前缘涡和机翼涡;非线性增长区（迎角为17.5°~32.5°）,俯仰力矩非线性增加,机头涡出现,机头涡和进气道前缘涡逐渐增强,机翼涡增强后破裂;衰减区（迎角为35°~65°）,俯仰力矩逐渐减小,机头涡增强后破裂,进气道前缘涡破裂发展,机翼涡完全破裂。其次,发现了机身前体是产生正俯仰力矩的主要来源,机头涡是导致大迎角下正俯仰力矩的主控流动。当迎角为40°时,前体各截面正俯仰力矩在进气道前缘处达到最大,主要是由于该处机头涡诱导产生了较强的法向力。最后,提出了大迎角机身扰流板控制技术,产生了较好的控制效果。当迎角为40°时,扰流板可使正俯仰力矩减少62%,其原因是扰流板降低了机头涡涡量及其诱导产生的法向力,减少了机身前体对正俯仰力矩的贡献。该控制技术的缺点是扰流板会带来一些升力损失和附加阻力。基于尖侧缘机身参考宽度的雷诺数为2.59×10⁵。     

有无涵道动力下的类BWB低速布局气动特性研究

随着航空飞行器的不断发展,新型非常规气动布局研究早已成为世界航空大国的关注焦点。基于TRIP 3.0软件平台通过等效盘模型应用到涵道风扇内外流一体化模拟中,完成对类BWB低速布局有无涵道风扇动力下的气动特性和流场影响分析。首先,对某单独螺旋桨验证算例进行分析;然后,对单独涵道风扇进行计算,得到设计推力下的涵道动力叶片数、安装角及转速等参数;最后,将设计推力下涵道动力参数应用到类BWB低速布局全机有无动力模拟中。结果表明:计算拉力和扭矩值与试验值吻合较好;尾部布置的涵道动力对机身后段及尾翼压力分布影响显著;涵道对前方气流抽吸作用,加速机身后段上表面气流流速,减小内侧平尾有效迎角,对机身和平尾升力以及俯仰力矩系数影响较大;在小迎角状态下,涵道动力对机身增升作用明显,会产生明显低头力矩,但对平尾作用正好相反,且两者增量大小相当,使得全机增升效果不显著,且俯仰力矩变化较小。     

Investigation of Vortex Interaction in Canard-FSW Configurations Based on the Numerical Wind Tunnel Method

The vortex interference mechanism on low Reynolds number between the canard and main wing of the canard-forward sweep wing (Canard-FSW) configurations is simulated numerically by employing the numerical wind tunnel method. The variations of aerodynamic characteristics of Canard-FSW configurations with different positions of the canard are investigated, finding that the aerodynamic interference and mutual coupling effect between the canard and main wing have made great contributions to the lift and stability characteristics of the whole aircraft. Canard can radically improve the surface flow pattern of the main wing. And its own vortex can have a favorable interference on the main wing and can effectively control the airflow boundary layer separation. At small angles of attack, the aerodynamic characteristics are sensitive to the positions of the canard and the main wing, but at high angles of attack, the aerodynamic performances of the configuration are not only related to the shape of the canard (forward or backward), but also with the size of control force as well as the features of the vortices generated above the main wing and the canard. The different configurations and vortices are illustrated using the velocity vector, streamlines and pressure contours.     

匀速俯仰运动及角速率对横向喷流的影响

为研究运动对横向喷流干扰特性的影响,数值模拟了导弹模型匀速俯仰运动过程的超声速横向喷流,获取了运动状态下的横向喷流干扰量,并对比分析了俯仰运动和角速率对喷口附近流场结构、模型表面极限流线、表面压力分布和子午线压力变化及气动特性和干扰放大因子造成的影响。结果表明：模拟参数范围内,动态及角速率影响随运动方向及迎角范围而发生变化;中小迎角时主要影响上游分离区和尾部偏折效应,大迎角时弓形激波位置变化显著;俯仰运动的气动特性和横向喷流干扰特性出现动态迟滞,且随角速率增加而增强;动态大迎角下由于压力平台效应减弱,其力矩放大因子受俯仰运动影响更为明显,出现偏离静态的不利结果。     

无尾布局纵向操纵的嵌入式舵面概念研究

基于提高W型无尾翼身融合布局大迎角俯仰操纵能力的设想,探索一种机身下表面嵌入式俯仰操纵舵面的新概念。采用CFD方法,研究纵向两个位置、两种弦向长度组成的四种机身下表面嵌入式舵面构型对无尾气动布局性能的影响及其流动机理,分析了嵌入式舵面提供纵向操纵控制的作用原理。研究结果表明,下表面嵌入式舵面可作为无尾布局大迎角俯仰操纵的有效补充措施,为无尾布局大迎角俯仰操纵提供了新的技术途径,具有进一步深入研究的价值。