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。     

基于代理模型的自适应后缘翼型气动优化设计

针对具有自适应后缘的跨声速翼型,基于代理模型和遗传算法相结合的优化方法,开展考虑自适应后缘结构约束的翼型气动优化设计研究。结果表明,低升力系数下翼面流场没有明显的能量损失,不同设计升力系数得到的自适应后缘翼型阻力相差不大;高升力系数下翼面附近存在激波,翼型阻力主要由激波强度决定。对于以低升力系数为设计点的基本翼型,通过后缘自适应变弯来调整载荷分布,可以降低翼面激波强度,减小翼型阻力;对于以高升力系数为设计点的基本翼型,可以直接通过气动优化来消除翼面激波,使得翼型阻力达到最小。因此对于带有自适应后缘的翼型,为了实现宽升力系数范围内的阻力最小,应首先以高升力系数为设计点完成基本翼型的气动优化设计,然后以低升力系数为设计点完成自适应后缘外形的气动优化设计。     

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。     

宽体客机巡航机翼变弯度减阻技术

针对宽体客机可变弯度机翼,建立了适用于原理性研究的参数化模型,验证了方法的可行性。以CRM机翼为研究对象,开展了前后缘变弯度对气动力、压力分布和展向升力载荷分布的影响分析,研究了巡航速度多个升力状态下的最优变弯度,并对比了单独变后缘弯度和前后缘同时变弯度的差异。研究结果表明:宽体客机机翼前后缘小角度偏转可使气动特性产生较明显变化,其中后缘变弯度的影响更为显著;定升力状态下通过变弯度可改变机翼展向当地攻角及弯度分布,从而减小激波阻力或诱导阻力;在小升力系数时变弯度获得的减阻量不超过0.0001,而较大升力系数时可达0.0010,并同时降低翼根弯矩、改善激波诱导分离;相比于单独变后缘弯度,前后缘同时偏转可在进一步抑制抖振边界附近低头力矩增长的同时获得更大的减阻量。研究过程充分体现了建模方法在避免引入型面质量干扰、提高三维外形及网格生成效率上的优势,得到的原理性结论可为可变弯度机翼技术的工程应用提供参考。     

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%。     

激波控制鼓包对跨声速抖振影响的数值研究

在跨声速飞行时,激波控制鼓包不仅能够减弱机翼上表面的激波强度从而降低波阻,对跨声速抖振也有一定的改善作用。通过URANS方法数值模拟来探究二维激波控制鼓包对OAT15A超临界翼型跨声速抖振性能的影响规律,并研究以巡航设计点减阻与抖振状态减振2种目标设计的鼓包的区别。以巡航设计点减阻优化设计出的鼓包,在抖振条件下,能够推迟了翼型上表面的压力恢复,减弱了激波与边界层的相互干扰作用,达到减弱抖振幅度的效果,然而不能对抖振实现完全抑制。通过改变鼓包相对位置、高度和长度计算得到鼓包参数对抖振的影响规律,分析典型流场得到鼓包抑制抖振现象的工作机理是：鼓包减弱了激波强度的同时,阻碍了鼓包尾部边界层向上游移动与激波相互干扰,从而稳定了激波抖振现象。另外,基于巡航设计点减阻设计的2个鼓包相对参考位置距离分别为0.04c和0.10c(c为翼型弦长),与同等高度鼓包在抖振状态完全抑制抖振且不降低升力的位置范围的[-0.01,0.02]c和[0.01,0.08]c不同,二者位置最小相差0.02c,而鼓包这段距离差异对巡航特性和抖振性能都有着重要影响作用。总而言之,以巡航设计点减阻与抖振状态减振2种目标设计得到...     

考虑放宽静稳定度的民用客机气动优化设计

为了更加有效地减小民用客机考虑配平约束后的阻力,针对典型跨声速民用客机机翼-机身-平尾构型研究了不同静稳定度下的气动优化设计,并总结出在民用客机的减阻设计中考虑放宽静稳定度具有较大的减阻潜力。通过自由型面变形(FFD)技术对全机外形进行参数化,实现机翼型面的变形,进行气动优化设计并改变平尾的偏转保证全机能够力矩配平。采用基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程的离散伴随方法求解目标函数对设计变量的梯度,然后基于序列二次规划算法进行基于梯度的气动优化设计。基于CRM(Common Research Model)构型,针对不同参考重心位置进行了考虑配平约束的减阻优化设计研究,验证了优化设计系统的有效性,算例结果表明,随着重心位置后移即放宽静稳定度,优化构型配平阻力减小,外翼段前缘吸力峰值明显降低且双激波的强度得到有效减弱,此外机翼的升力系数分布更加贴合最佳升力系数分布。     

民用客机可变弯度机翼优化设计研究

远程宽体客机在实际飞行状态下,机翼变弯度有效减阻能够提升客机性能和飞行品质。以全机配平构型为研究对象,基于襟翼、扰流板偏转建立变弯度模型;采用RANS方程实现阻力的精确求解并建立响应面模型,对不同升力系数、马赫数的多个飞行状态进行变弯度减阻优化;在此基础上,对实际飞行过程中变弯度操作需求及综合减阻性能进行分析,并采用布雷盖公式评估机翼变弯度后全航段综合巡航效率。结果表明：在巡航马赫数飞行时,采用两次变弯度设置即可在较宽的升力系数范围内获得减阻收益;在10 km定高巡航时,机翼变弯度可使整个航段综合减阻1.9 cts,航时、航程提高0.72%;在8和10 km进行一次阶梯巡航,机翼变弯度可使整个航段综合减阻2.9 cts,航时、航程提高1.19%。     

基于代理模型的飞翼多目标气动优化设计

针对飞翼布局飞行器,采用雷诺平均N-S方程（ RANS）计算流场,使用基于代理模型的多目标优化方法进行了同时考虑起飞性能和巡航性能的多点多目标气动优化设计。在设计过程中,将飞翼的平面形状、剖面形状及扭转角同时作为设计变量（共58个设计变量）,将提高起飞时的升力系数和提高巡航升阻比为设计目标,以起飞状态和巡航状态的力矩系数作为气动约束,并以飞翼平面面积不减和剖面厚度不减作为几何约束。通过采用基于Kriging模型的多目标优化方法,以较小的计算花费得到了较好的Perato前沿。取Pareto前沿中一个最优解与基准外形的性能进行了对比,结果显示,优化外形的性能较基准外形的气动性能得到全面大幅提高且所有约束得到严格满足。     

平角旋转机构约束的管射无人机二次折叠翼气动优化设计

机翼分段折叠的二次折叠翼可有效增加管射无人机的展弦比,提升管射无人机的巡航效能。但连接分段机翼的第二展开机构使得内、外机翼过渡段包络面相对厚度增大,气动性能降低,恶化了二次折叠翼的巡航性能。因此,建立二次折叠翼气动设计方法具有重要意义。开展了考虑第二展开机构几何约束的二次折叠翼气动优化设计研究。首先,采用自由变形(FFD)技术对二次折叠机翼进行参数化建模。其次,结合CFD求解器和遗传算法搭建了气动优化设计系统。最后,在具体优化设计工作中,将第二展开机构几何约束转化为关键剖面的绝对厚度约束,通过求解FFD控制点影响因子将绝对厚度约束转化为控制点设计变量变化范围约束。应用该优化系统对二次折叠机翼在升力系数0.68设计工况下开展考虑机构约束的优化设计工作,结果表明,在满足机构约束的前提下,机翼气动阻力减幅达到9.3%,有效地改善了二次折叠机翼气动特性。     

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。     

宽体客机气动标模CHN-T2设计

发展商用运输机标模是我国独立发展具有自主知识产权的先进民用飞机的重要支撑手段,对验证CFD技术和确认风洞试验品质具有重要意义。结合国内外主流宽体商业客机的布局特点和气动设计需求,基于自主开发的AMDEsign设计平台,设计研发了宽体客机标模CHN-T2。标模设计马赫数0.85,设计升力系数0.48。模型充分体现了主流宽体商用客机典型的双通道机身/超临界机翼/平立尾/翼吊通气短舱等几何特征,具有典型的部件间强干扰/激波分离/转捩等流场特征以及优异的高亚声速巡航/高升阻比气动效率等性能特征。通过气动外形优化设计、短舱吊挂组件影响及雷诺数效应等研究,并结合风洞试验数据对比分析,最终确认CHN-T2模型巡航升阻比达到21.8、阻力发散马赫数约为0.872、抖振边界大于1.3倍巡航升力系数、风洞试验准雷诺数为3×10⁷。研究认为,CHN-T2模型具有良好的气动性能,能够作为先进宽体客机气动标模进行应用推广。通过持续建立的丰富气动数据库和流场影像,可有力支撑宽体客机流动机理分析、CFD技术验证与确认、先进风洞试验技术发展验证、CFD与风洞数据相关性等研究。     

考虑模型抖振力跨向不完全相关性效应的气动导纳识别

首先通过考虑节段模型上抖振力跨向不完全相关性效应推导了节段模型风洞试验中作用在模型断面上的分布抖振力谱和由底支式天平测到的模型总抖振力谱之间的关系。然后,以准平板断面为例,进行了格栅湍流场节段模型的测力和同步测压试验,获得了模型总抖振力谱以及模型抖振力跨向相关性函数。接着,采用等效导纳法以及抖振力自谱和抖振力脉动风速交叉谱综合残量最小二乘法分别识别了准平板节段模型等效气动导纳和六分量气动导纳,讨论了模型抖振力跨向不完全相关性效应对气动导纳识别结果的影响,并把识别得到的准平板断面气动导纳与平板断面气动导纳的理论结果——Sears函数进行了比较。结果表明：忽略抖振力跨向不完全相关性效应（即假设节段模型分布抖振力沿跨向完全相关）而直接采用平均抖振力作为断面上分布抖振力的传统方法会导致气动导纳识别结果偏小,并且,其偏小程度会随着频率的增加而增加;此外,相对于抖振升力和扭矩相关的气动导纳分量而言,由于抖振阻力的跨向相关性比抖振升力和扭矩的跨向相关性显得更弱,因此抖振力跨向不完全相关性效应对阻力相关气动导纳分量识别结果的影响更大;利用识别得到的六分量气动导纳反算的作用在模型上的分布抖振力谱与试验中实测结果非常接近,经抖振力跨向不完全相关性效应修正后的竖向脉动风速对应的升力和扭矩气动导纳分量的识别结果与Sears函数也比较接近,从而验证了用于六分量气动导纳识别的自谱-交叉谱综合最小二乘法的可靠性。     

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。     

飞翼布局无人机变形机翼设计与模型验证研究

对飞翼布局无人机变形机翼和变形机翼传动机构进行了设计,根据设计结果制作验证模型进行风洞实验和外场飞行试验,以此研究伸缩段机翼对飞行器机翼整体气动性能的影响。结果表明:采用变形机翼技术,可以通过实时控制机翼的气动外形保持较高的气动效率,提高飞机在巡航状态下的升力和高速飞行状态下的机动性,满足飞机在各种任务剖面的战术性能要求。     

用于喷气客机概念设计的气动特性分析程序

针对喷气客机概念设计需求,在确定了升阻特性的估算方法后,应用MATLAB开发气动特性分析程序。以典型喷气客机为例,验证了气动分析模型和计算程序的精度。所开发气动特性估算程序能快速对喷气客机初步方案气动特性进行评估。设计人员只需通过用户界面给出飞机外形参数和飞行条件,就可快速获得巡航构型曲线、升阻比曲线、巡航效率曲线、抖振边界曲线,以及起降构型升力线和升阻比曲线。     

CAE-AVM标模巡航构型的设计和数据库应用

受计算流体力学（CFD）与风洞数据相关性研究以及新型远程飞机设计能力建设等需求驱动,巡航马赫数0.85量级气动标模的研发日益得到重视,并受益于先进CFD方法和风洞精细化试验验证技术的发展,得以顺利开展。本文介绍了民机标模CAE-AVM巡航构型及其原准机的总体布局和气动方案设计,给出了远程商务飞机和该速域下气动标模的设计特点分析,提出了气动标模风洞试验的特别要求和解决方案。文章同时给出了CFD与风洞数据的对比验证结果,以及CAE-AVM标模数据库建设状况和典型应用案例。研究表明,CAE-AVM标模在马赫数0.85、升力系数0.5、雷诺数2×107的设计状态下,升阻比为17.6,抖振升力系数和阻力发散马赫数等参数均满足设计要求。研究中实现了同步测力、测压、测变形和测转捩的精细化试验技术,试验前针对包含模型机翼气动弹性变形和支撑机构的真实试验外形的CFD预评估有效提高了试验效率。CAE-AVM数据库及其在CFD软件验证、CFD-风洞数据相关性研究、风洞动态和精细化试验技术开发以及民机设计分析方面的应用,表明了共用标模的必要性和实用性。     

CRM翼身组合体模型高阶精度数值模拟

基于五阶空间离散精度的WCNS格式,开展了CRM翼身组合体模型的高阶精度数值模拟,以评估WCNS格式对复杂外形的模拟能力以及典型运输机巡航构型阻力预测的精度。首先依照DPW组委会提出的网格生成指导原则,利用ICEM软件生成了粗、中、细、极细四套网格,网格规模从"粗网格"的2 578 687个网格点逐渐扩展到"极细网格"的65 464 511个网格点。研究了设计升力系数下,网格规模对气动特性、压力分布和翼根后缘局部分离区的影响,采用"中等网格"开展了抖振特性的数值模拟研究。通过与二阶精度的计算结果、DPW V统计结果和部分试验结果的对比分析,高阶精度数值模拟结果表明,阻力系数计算结果与DPW V统计平均结果吻合较好;网格密度对机翼上表面的激波位置和翼身结合部后缘局部分离区略有影响;迎角为4°时,升力系数下降的主要原因是机翼上表面激波诱导分离区和翼身结合部后缘局部分离区的增加。     

变参数椭圆剖面的气动和结构特性研究

采用数值计算方法对亚声速飞行器中常见的外露非升力杆状部件的整流剖面进行了研究,提出了一类新型的变参数椭圆剖面,其外形由二次曲线形状参数Rho和最大厚度位置确定。通过进行长细比在1.5至8之间的椭圆剖面、翼型剖面和变参数椭圆剖面的阻力、升力和结构特性对比分析,表明翼型剖面在长细比大于3时具有最小的阻力和最大的升力线斜率,进一步降低长细比可能出现负升力线斜率等现象,阻力也反而增加。标准椭圆阻力最大,而变参数椭圆剖面即使长细比降低至2仍有较好的阻力升力特性。综合对比表明采用前后Rho值为0.414/0.35的剖面阻力和升力线斜率较低,结构厚度和截面积相对翼型提高,作为整流剖面可能具有更好的气动与结构综合效率。     

后缘发散翼型在宽体客机机翼设计中的应用

用计算流体力学手段,研究了在宽体客机机翼剖面上施加后缘发散修形设计可获得的收益.提出了一种使用幂函数表达扰动量的后缘发散修形设计方法,使用该方法研究了扰动幂次和后缘厚度对超临界翼型气动性能的影响规律,并对比了雷诺数4×106和2×107下后缘厚度对翼型阻力、力矩影响的差异.研究结果表明,后缘厚度是后缘发散翼型的关键参数,相同后缘厚度下雷诺数2×107的减阻效果不及雷诺数4×106.雷诺数2×107下,考虑跨声速减阻、亚声速增阻和低头力矩等因素后,后缘厚度取3‰c左右较为有利.尝试了后缘发散设计的两种应用思路,一是用来换取翼型厚度增加,二是用来调整机翼载荷分布.在翼型设计应用中,发现后缘厚度增加2‰c的修形量可使得最大相对厚度10.2％的超临界翼型在厚度放大到11.5％后仍具有不低于初始的升阻性能.在某宽体客机机翼方案上应用内翼1‰c和外翼2‰c的后缘厚度增量后,机翼-机身-短舱-吊挂构型可获得超过2?counts(1?count?=?阻力系数0.0001)的阻力下降,而不付出机翼厚度和阻力发散性能代价.