三元收缩段优化设计研究

本文以某低速风洞收缩段为例，对收缩段设计方案的数值计算结果进行了综合分析。文中给出了数值计算结果、分析过程以及典型算例，并给出了该风洞收缩段最佳的气动设计方案，分析了几种常用收缩曲线的特点，同时给出了低速风洞收缩段气动设计的优化过程和可行的方法。结果表明，本文提出的优化设计方法是风洞三元收缩段气动设计较好的有效的气动设计手段。     

特殊布局高亚声速层流无人验证机基本翼气动力协调设计

高亚声速层流无人验证机首创性地采用内侧等直试验段与外侧后掠基本翼相结合的特殊气动布局形式,基本翼与试验段在整体飞行特性层面的协调匹配及基本翼自身的高低速特性协调匹配是气动力设计的出发点。根据典型飞行试验任务对高速巡航效率和低速失速特性的设计需求,针对性剖析了高低速气动特性的主控因素与设计原理。结合全速势-附面层修正方法设计、数值模拟校核的思路开展了兼顾巡航点激波/环量特性及低速分离顺序的基本翼气动力协调设计研究,形成了工程适用的设计方案。数值模拟和风洞试验综合评估结果表明：设计方案实现了大尺寸翼吊短舱影响下的巡航点无激波压力分布稳健性设计,在高亚声速验证工况气动特性良好的前提下,有效保证了低速临界迎角状态翼面分离梯次合理、升力/力矩可用,实现了基本翼与飞行试验验证需求及高低速气动特性的双重协调匹配。     

低速模拟技术在高压涡轮级中的应用

借鉴低速模拟技术在航空发动机高压压气机研究中的成功经验,探索了将其应用于高压涡轮部件时的气动设计方法,提出了一种改进的叶型重设计方法.以此方法为设计准则,选取E3发动机高压涡轮的第1级为原型高压涡轮,设计了与其相似的低速涡轮试验设备.在设计过程中保证了两者之间相等或相近的稠度、展弦比等结构参数,相近的效率、负荷系数、沿径向分布的效率和气流角等气动参数,以及类似的无量纲叶片表面等熵马赫数分布形式.数值模拟结果表明:由于低速涡轮设备的落压比、总温比等参数均与原型高压涡轮差别较大,压气机低速模拟中常用的流量系数、叶片表面压力分布等相似参数不再适用.按照给出的结构和气动相似参数所设计的低速涡轮模型达到设计要求,其能够反映出原型高压涡轮主要的气动参数变化趋势,能够作为涡轮内部气动热力学研究的试验载体.      

层流机翼飞行验证平台雷诺数效应分析及修正

在飞机设计阶段,获得真实准确的气动特性数据对设计方案的改进和定型都十分重要。然而,当前在设计初期所采用的缩比模型风洞试验存在一定的局限性,预测的气动数据也难以同真实飞行情况下完全一致,雷诺数效应便是导致这种差异的最主要原因之一。采用CFD数值模拟方法针对特殊布局形式的层流机翼飞行验证平台低速起降和高速巡航构型分别在试验和飞行雷诺数下进行数值模拟分析。通过计算所得全机气动力系数与风洞试验数据的对比分析,验证了本文数值模拟结果的可靠性和准确性,同时也佐证了风洞试验数据的有效性。通过计算所得高、低速力系数,流场结果和高速层流区长度的对比,分析总结得到雷诺数效应对验证平台高低速气动特性、低速失速分离特性以及高速层流转捩特性的具体影响规律,并据此对低速和高速试验数据进行修正,为后期飞行试验的设计提供数据支撑。     

压气机转子叶片叶尖流场的低速模化设计

针对带进口导叶的高速压气机第1级转子叶片的叶尖流场进行了低速模化设计,为后续的低速压气机叶尖流场损失和失速测试试验做了准备.利用叶片造型和数值模拟方法,以保证高、低速压气机转子叶片表面压力系数及叶片排进、出口主要气动参数分布相似为目标,对高速原型压气机进行低速模化设计,包括调整流道形状,对叶型进行反复迭代,并在进口导叶和1级转子叶片的造型设计上突破了几何相似的限制.最后,对高低速压气机的几何、气动参数和流场结构进行了全面的计算对比分析,证明采用所提出的低速模化设计方法是成功的,实现了在流量系数相同的情况下,加工量因子和转子扩压因子分别为98.16%,94.95%的相似度.      

涡桨飞机发动机短舱气动改进设计研究

本文通过数值计算方法,从上下安装位置和局部外形两个方面着手改进短舱,给出两个改进方案,兼顾高速气动特性和低速气动特性两个方面,全面改善飞机气动特性,降低了短舱对机翼气动特性的不利影响,并且总结出短舱的安装位置和外形分别对机翼高低速气动特性的影响规律,为涡桨飞机翼吊短舱的气动设计提供有利经验。     

低速轴流压气机转子叶片三维优化的数值研究

为了深入认识低速大尺度轴流压气机端壁区的流动,减小流动损失,提高其气动性能,采用数值模拟和优化相结合的手段,针对用于低速模拟的某低速大尺度轴流压气机原型转子的三维积叠线进行了优化,提高了其设计工况下的气动性能.结果表明:优化转子轮毂附近无法承受过大的负荷;相比于原型转子,优化转子主要的性能提升位于轮毂附近,一定程度的正弯有效减小了轮毂区的流动损失,具有“前加载”的效果,抑制了叶根尾缘的流动分离,转子总压损失减小约19.4%.      

双尾撑无人机气动数值计算

使用CFD计算流体力学软件对双尾撑无人机进行气动力数值计算,得到小迎角范围内的气动特性参数以及双尾撑无人机表面的压力、密度和来流速度分布情况。运用飞机工程经验计算方法对该无人机进行气动力计算,同时与数值计算结果进行比较分析,结果表明,数值计算方法能够合理的模拟低速流场流动,对无人机的气动布局分析具有重要作用,为下一步无人机的气动布局优化提供了有效的理论基础和参考。     

亚燃冲压发动机气动格栅整流效果研究

为改善进气道出口流场畸变对燃烧室性能的不良影响,开展了气动格栅设计。采用数值模拟方法,对扩压器、带气动格栅扩压器、扩压器-燃烧室和带气动格栅扩压器-燃烧室的三维流场进行了数值模拟。结果表明,进气道出口流场畸变,使扩压器出口流场均匀性变差,存在大面积的低速区和分离区;燃烧发生在火焰稳定器上游,燃烧室边区也出现大面积燃烧,导致组件容易被烧毁和组织燃烧性能变差;气动格栅能有效改善扩压器出口流场的均匀性,改善燃烧室性能。     

空天飞行器机翼/翼型的需求分析及应用

空天飞行器飞行空域大,速域宽,经历亚/跨/超/高超声速飞行,气动特性变化大,传统翼型难以同时满足低速、高速时的设计要求,给机翼/翼型设计提出了新的挑战.本文围绕飞行环境特点,分析了低速高升力与高速高升阻比、升重匹配、结构热防护等设计要求,提出了空天飞行器对机翼/翼型设计的新需求.基于一种新的宽速域翼型,采用数值模拟方法,开展三维流动下翼型与机翼平面形状的一体化优化设计,获得了一种翼型沿展向变化的新机翼,相对优化前,低速时机翼产生的升力效率提高了36.3％,超声速和高超声速升重平衡升阻比分别提高了33.4％和12.9％,新机翼能更好地兼顾低速、跨声速、超声速和高超声速气动性能的要求.将新机翼应用于典型空天飞行器,再通过全机气动外形优化设计,进一步提高了宽速域飞行时升重平衡下的使用升阻比,高亚声速时提高了5.9％,超声速时提高了10.3％,高超声速时提高了0.7％,解决了低速飞行时高升力与高速飞行时高升阻比的需求矛盾,并获得了一种满足宽速域总体设计要求的空天飞行器气动布局.研究成果具有一定工程指导意义.     

叶顶间隙对离心叶轮内部流动及气动性能的影响

通过求解 N- S方程 ,数值研究了叶顶间隙对 NASA低速大尺度离心压缩机 (L SCC)三维粘性流场及气动性能的影响 ,在计算程序中采用了当地时间步长、多重网格以及隐式参差光顺来进行加速。对具有 0 .0 % ,5 0 % ,10 0 % ,2 0 0 %倍设计间隙的 4种离心叶轮的流场及气动性能进行了数值预测。研究结果表明 (1) NASA低速大尺度离心压缩机 (L SCC)半开式叶轮的低速尾迹区在压力面与轮盖的角区 ,而相应的闭式叶轮的低速尾迹区聚集在轮盖的中心位置 ;(2 )数值实验表明 ,叶顶间隙并非越小越好 ,可能存在一个最优间隙 ,使得叶轮流动损失最小     

宽速域高超声速飞行器设计与气动特性研究

为了提升高超声速飞行器在低速和超声速条件下的气动特性,提出了一种新型宽速域类乘波体机身加可变菱形连接翼的气动构型,飞行器通过连接翼的收放变化来实现展弦比和掠角的增减,提高全速域范围的气动性能。采用CFD方法,对低(超声)速和高超声速时的气动特性进行了数值计算。通过分析计算得出结论:在低速和高超声速时,飞行器的气动特性良好。结果表明,该设计方法是可行的,符合水平起降、宽速域飞行的发展趋势。     

含鸟撞变形叶片的压气机气动性能数值模拟

为研究受到鸟撞前后压气机气动性能的变化，提出了鸟撞叶片结构-气动分析几何模型的转化流程，基于NASA Rotor37 转子得到了鸟撞变形叶片几何模型，分别建立了鸟撞前后的全通道气动性能CFD计算分析模型，在设计转速下开展了全3维黏性 流场数值模拟，并与Rotor37转子部件气动性能试验数据进行了对比分析。结果表明：模拟结果与试验结果非常接近，证明了该数 值模拟方法有效；鸟撞后叶片变形区域攻角增大导致的局部气流分离及并发的气流低速流动的耦合是转子气动性能恶化与转子 进入失稳工况的主要原因，含鸟撞变形叶片的转子压比、效率等气动性能参数明显降低，稳定工作边界明显缩小。所发展的气动 性能数值模拟方法与流程可有效地预估含变形叶片的压气机稳态气动性能。     

基于通流程序的低速模拟气动设计及数值验证

为了验证多级轴流压气机出口级性能,开展四级重复级低速模拟气动设计,并坚持以二维设计为主,三维数值验证为辅。利用相同的设计系统,建立了高低速压气机之间相似的二维流场和叶表无量速度分布。随后,低速与高速压气机三维数值计算结果对比表明,压升系数特性吻合,流场相似,且叶表无量纲速度由设计点到失速点保持一致的变化趋势,进一步验证了二维设计的可行性;利用相同的系统设计高、低速压气机,有利于形成高速-低速-高速的良性循环,有利于完善基于通流程序的设计体系,积累设计经验。     

考虑工程约束的高可信度气动外形优化设计

实际气动设计中遇到的工程问题较为复杂,然而能够用于实际工程设计的高可信度气动外形优化设计工具较少.基于飞行器设计工程实际中的各种复杂气动约束和几何约束要求,集成高可信度非结构网格RANS方程求解器、弹簧比拟网格变形技术、FFD外形参数化、RBF代理模型、粒子群优化器,构建多设计点气动外形优化设计工具,并应用于先进低速层流翼型和高亚声速超临界机翼的气动外形优化设计中(包括单设计点和多设计点),进行考虑/不考虑气动约束和几何约束的气动外形优化设计分析.结果表明:多设计点气动外形优化设计工具有效,约束条件和智能优化器自动有效地引导了层流翼型和亚声速机翼外形的有利改变.     

椭圆翼型低速气动特性研究

为对椭圆翼型的低速气动特性进行研究,通过不同相对厚度椭圆翼型气动特性的数值计算和分析比较,选取16%相对厚度椭圆翼型作为试验翼型,在西北工业大学NF-3风洞二元试验段内对此翼型的低速气动特性进行了试验研究,试验采用表面测压和尾排型阻测量技术.试验结果与数值计算结果的对比表明,在较高速度和雷诺数下试验值与计算值吻合得较好,但在小速度和低雷诺数下试验值与计算值则相差较大,在升阻和力矩特性方面,椭圆翼型呈现出不同于传统翼型的气动特性.     

多段翼型低速流场与气动特性数值计算研究

在结构化网格求解RANS方程的基础上,将嵌套网格技术应用在低速绕流气动特性计算中,并以NLR-7301两段翼型和某运输机5段翼型在起飞构型下对低速绕流流场进行数值模拟,将气动特性及流场特性的数值模拟数据与对接网格计算以及风洞实验数据进行了比较.结果表明,该气动特性计算方法有着较高的精度和可靠性.     

进排气效应对飞翼布局无人机气动特性的影响

利用雷诺平均可压缩N-S方程和可实现K-ε模型,对飞翼布局无人机进行了内外流场的气动耦合计算,研究分析了进排气系统对飞翼动布局气动特性的影响.数值模拟结果表明,进排气效应明显影响了前后机身一定范围内的压力分布,使得全机升力、阻力和俯仰力矩增加,纵向静安定度有所减小;另外,低速比高速时的影响尤为明显,低速时进排气效应使得...     

基于投影法的双后掠乘波体气动性能

双后掠布局能有效改善乘波体低速时的气动性能不足。为了获得双后掠乘波体,目前常采用的是定前缘型线的吻切锥乘波体设计方法,但该设计方法存在设计过程复杂,激波出口型线与理论不一致等问题。而采用直接投影获得双后掠乘波体的设计方法可以解决上述问题。为了系统研究基于投影法的双后掠乘波体的气动性能,使用CFD方法分析了采用该方法生成的双后掠乘波体在高超声速与低速时的气动性能。结果表明,该方法获得的乘波体在高超声速下的气动性能与定前缘型线的双后掠乘波体相当。且此方法仍保留了高超声速下"波效应"引起大攻角非线性升力、低速下"涡效应"有效提高升阻比等双后掠乘波体的优良气动特征,为基于投影法的双后掠乘波体的工程应用提供了指导。     

高负荷低速轴流风扇数值优化设计与实验研究

应用基于自适应遗传算法和复合形法发展的混合遗传算法数值设计平台ADOP,对某高负荷低速轴流风扇TA36A实施气动数值优化。该风扇设计转速2.9kr/min,三维数值结果近设计点流量7.482kg/s,绝热效率为84.54%,失速裕度为16.38%;优化设计后风扇TA36B数值模拟结果失速裕度提高了1.6个百分点,气动效率为85.31%,比原型略有提高。气动性能试验风扇TA36B失速裕度达18.84%,具有较宽的稳定工作范围。