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。     

内流壁温效应对高速飞行器气动特性的影响

吸气式高速飞行器内外流高度耦合,激波-边界层干扰严重,壁面温度会影响边界层内的流动,进而影响气动特性。因此,准确评估风洞试验中的壁温效应,提高气动特性的预测精度,对飞行器设计至关重要。通过常规超高速风洞试验,结合数值模拟分析,开展了内流壁温对气动特性的影响规律及作用机理研究。结果表明：在常规超高速风洞几十秒的运行时间内,随着运行时间增加,飞行器内流道壁面温度不断升高,俯仰力矩以及内流道壁面压力均会出现显著变化,其中俯仰力矩的增加量需要2°舵偏角来平衡;此外,数值模拟分析进一步指出,飞行器俯仰力矩的变化主要原因是内流道壁面温度升高、边界层增厚、近壁低速区挤压中心的高速区,使得内流道等效面积减小、气流压缩,相应的马赫数减小、压力升高,并引起内流道激波波系前移,从而改变了内流道压力分布,最终导致俯仰力矩发生变化。     

倾转涵道倾转过渡阶段的非定常气动力

为研究倾转涵道动力装置在倾转过渡阶段的非定常气动力,使用基于滑移网格技术的非定常计算方法,利用基于内场信息和叶素理论的压力盘模型模拟风扇螺旋桨,通过求解Navier-Stokes(N-S)方程,对涵道风扇俯仰拉起过程进行数值模拟.结果表明:在倾转过程中涵道风扇非定常气动力的迟滞特性明显,俯仰角速度延迟了流场分离,增加了涵道风扇的升力和阻力;低速飞行时,涵道风扇在整个倾转过渡阶段气动性能优良;在高速大迎角飞行时,涵道风扇气动性能恶化,俯仰力矩曲线紊乱,不利于进行倾转过渡飞行.      

分布式涵道风扇对BWB无人机气动特性的影响研究

由于分布式推进翼身融合（BWB）无人机综合性能显著，是未来航空领域飞行器发展的趋势，因此分析分布式BWB布局无人机的气动特性对于进行分布式BWB布局设计有着重大的基础意义。本文运用计算流体力学（CFD）数值模拟计算，利用混合网格技术和k-ωSST湍流模型求解雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程的方法，研究了有/无动力、涵道展向位置以及涵道间距等参数对全机在巡航状态下的气动影响。研究表明，在相同工况下，有分布式动力能够提升全机的气动特性，且外翼段是提供升力的主要方式；涵道风扇合理的间距能产生更好的诱导增升效果，表现为在小迎角下，全机升力系数随涵道间距的增加先增大而后几乎保持不变；在大迎角下，随着涵道间距的增加，全机升力系数逐渐提升，其最大增量为9.3%。以上对此类飞行器的研究分析对分布式推进BWB无人机气动布局设计具有一定的参考价值。     

大型运输机动力增升喷流效应数值模拟

参照C-17运输机发动机安装位置,考虑内、外涵道分开排气,建立了外吹式襟翼动力增升全机几何分析模型以及相应的巡航构型.采用结构化多块网格技术,基于雷诺平均Navier-Stokes方法,分别对全机增升构型和单独发动机动力喷流进行数值模拟验证,在此基础上对外吹式襟翼动力喷流效应展开研究.对于低速动力增升构型,发动机喷流大部分直接冲刷襟翼下表面而后向下偏转,部分高速气流经襟翼缝道引射并加速后吹向襟翼上表面,两部分气流在襟翼后缘汇合并向下游延伸,喷流冲刷襟翼时存在明显展向横流特征.在动力喷流影响下,不仅襟翼环量大幅增加,缝翼和主翼上的环量也均有所增加,全机可用升力系数和最大升力系数均突破了机械式增升装置的极限,达到4.0以上.同时,全机低头力矩大幅增加,为纵向配平带来额外的压力.对于相应的高速巡航构型,发动机喷流主要影响机翼下表面的压力分布,使得全机升力减小,阻力明显增大.动力增升构型在基本翼设计过程中应充分考虑喷流的影响.      

翼身融合布局缩比模型飞行试验动力影响分析

动力系统的进排气效应是影响翼身融合布局飞机俯仰力矩特性和全机纵向配平的重要因素。为了研究动力对全机俯仰力矩的影响,基于飞行动力学方程,提出了一种动力影响计算方法。以某翼身融合布局缩比模型为研究对象,结合风洞试验数据,分析了模型飞行试验中爬升段、平飞段和下降段动力对全机俯仰力矩系数的影响,同时计算了迎角测量误差对俯仰力矩计算结果的影响。分析结果表明:动力使该翼身融合布局缩比模型低头力矩增加,会对全机纵向配平产生不利影响;迎角测量精度对俯仰力矩计算结果有较大影响。     

环量控制技术研究

未来军/民运输机的高性能要求促使近年来环量控制技术正成为研究的新热点。本文简单介绍了环量控制研究的进展;深入讨论了包括二维环量控制翼型标模和CCA/OTW(Circulation Control Airfoil/Over the Wing)实验、半模型子系统实验和三维翼身融合体全机实验等可供CFD验证用的NASA实验研究。在2个尺寸相近的风洞中对同一二维标模的实验结果表明,源于切向吹气的最大升力系数C_Lmax在中等缝道出口高度时可达8~9。数据对比表明此实验结果可供计算流体力学(CFD)验证用。二维CCA/OTW实验表明,发动机位置前移可大幅增大失速迎角和C_Lmax;CCA后缘吹气噪声的低频部分强度与速度的8次方成正比,高频部分与速度的6次方成正比。半模型子系统的FACT-MAC跨声速实验不仅可研究高雷诺数效应,且可提供2种飞行状态的数据。初步结果表明,与无射流的低速数据相比,在α=25°时C_L增大约33%,跨声速时在非设计状态下射流可有效地使激波诱导的分离再附,在保持原有强度下激波位置可后推5%的弦长。三维全机CCW/OTW的实验数据尚在整理分析中,但初步结果已表明,应用前缘吹气可将失速迎角增大至25°,C_Lmax增大至6,正确安排OTW位置可增大升力线斜率等。     

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。     

带地效翼型俯仰控制技术研究

为解决飞翼布局起降状态俯仰控制能力不足问题,研究一种新型的腹部扰流板俯仰控制装置.针对带地效翼型,采用数值计算方法,研究了扰流板高度、弦向位置、偏度、迎角、离地高度等参数对俯仰与升阻性能的影响及其流动机理,给出了扰流板设计原则.研究结果表明,在地效作用下,合适的扰流板弦向位置和高度与偏度配合,可提供显著的抬头力矩增量和...     

桨尖与壁面间隙对涵道螺旋桨气动性能的影响

基于滑移网格模型,通过求解三维非定常N-S方程,分析涵道螺旋桨力学特性和流场分布规律,研究了桨尖与涵道壁面距离,对涵道螺旋桨气动性能的影响.随着桨尖与壁面距离的增大,涵道内桨叶背风面压力逐渐增大,迎风面压力变化不大,使得螺旋桨拉力逐渐增大;涵道内壁面桨盘前低压区压力增大逐渐增大,桨盘后高压区压力逐渐减小,使得涵道附加推...     

共轴反桨涵道式推进单元地面效应气动性能

为了研究共轴反桨涵道式推进单元近地面悬停时的气动特性,通过气动性能测试分别研究了转速、桨盘间距和离地距离对推进单元的气动影响。同时,通过CFD数值仿真分析了其速度场和压力场分布,分析了共轴反桨涵道式推进单元地面效应的流场特性。结果表明,当涵道扩散口到地面的距离小于两倍桨盘半径时,地面效应开始起作用;当离地距离小于一倍桨盘半径时,地效非常显著,品质因子(FM)最高提升了约30%。随着离地距离的减小,涵道拉力随之降低,这是由于入流速度的降低导致涵道唇口处的压力峰值下降。桨盘间距对地面效应影响不大。涵道以及螺旋桨的拉力、反扭矩与螺旋桨转速的平方近似成正比。      

超燃冲压发动机尾喷管性能对型面参数的回归研究

为了研究型面参数对基于三次曲线构型的超燃冲压发动机尾喷管性能的影响规律,采用均匀设计和回归分析的方法开展了型面参数化研究,得到了尾喷管性能参数与构型参数间的回归模型.研究表明下壁面高度对尾喷管的升力性能影响不显著,其余型面参数对尾喷管性能有影响且为交互作用.同时,上下壁面出口高度增加能提高尾喷管推力性能,上壁面长度增加对升力性能有益,而上壁面出口高度和角度的增加则反之;上壁面出口高度对俯仰力矩性能的影响与升力性能类似,但俯仰力矩性能与上壁面入口角度呈正相关,而出口角度在大部分情况下对俯仰力矩性能呈负相关;下壁面在一定范围内截短对上壁面压强分布影响不显著.      

宽体客机高速风洞试验数据修正方法

宽体客机航程远、巡航马赫数高,其气动设计对风洞试验数据精准度要求很高。通过完善中国空气动力研究与发展中心FL-26风洞试验数据修正技术和设备,对宽体客机高速风洞测力试验数据进行支撑/洞壁干扰、模型变形及流场畸变等系统修正,获取干净、可靠的风洞试验基准数据,为开展雷诺数、静气动弹性和动力影响等相关性修正奠定基础。研究表明：支撑干扰试验时,尾腔压力分布测量位置和假支杆长度伸入模型尾腔50 mm即可获得可靠的支撑干扰试验结果;在试验包线范围内,洞壁干扰对宽体客机模型升力、阻力和俯仰力矩系数影响较小;试验模型变形对宽体客机气动特性影响较为明显,马赫数0.85时模型变形后的升力线斜率减小0.005左右,焦点前移0.021 b_A,需进行相关修正。     

涵道风扇布局参数对其气动特性的影响研究

基于Navier-Stokes方程开展了不同气动布局参数下的涵道风扇非定常气动特性数值模拟研究。首先,结合滑移网格方法建立了适用于涵道风扇流场求解的数值模拟方法,并基于NASA涵道风扇试验模型开展了气动性能计算验证。随后,基于所建立的CFD方法开展了涵道风扇气动布局参数对其气动特性的影响研究,揭示了悬停状态下桨尖间隙和桨盘/涵道轴向相对位置对涵道风扇流场与气动性能的影响规律。结果表明：较大的桨尖间隙对桨尖涡的抑制作用减弱,导致涵道风扇的气动性能大幅降低,同时,桨尖涡强度的增加极大地改变了桨叶尖部的压强分布;当桨盘由基准位置向涵道出口方向移动时,涵道内的诱导速度分布发生改变,涵道唇口处气流速度降低,唇口的负压峰值下降,导致涵道拉力减小,当桨盘位置由基准位置向涵道入口移动时,桨尖涡的卷起对唇口处流动的影响加剧,导致涵道拉力明显降低。     

筒形机翼升阻力特性的数值研究

采用有限体积方法,基于多块结构化的贴体网格,求解预处理形式的NS方程,数值模拟了筒形涵道机翼的气动特性.得到了筒形涵道机翼的升力系数、阻力系数和升阻比等气动力参数,通过改变机翼外形和来流参数获得了气动特性随涵道长径比、来流迎角等参数的变化关系.计算结果表明:采用S3021翼型的筒形涵道机翼的阻力系数和升力系数随长径比的增大而减小,升阻比特性随长径比和迎角的变化均不是单调的,在长径比0.75和迎角5°时可得到较大升阻比.     

可压升力面理论桨扇气动设计反问题方法

结合桨扇几何与流动特征讨论了其两大类设计方法的特点,研究了基于可压升力面理论的一种桨扇气动设计反问题方法.相比于传统螺旋桨升力面设计方法,其在旋转坐标系中小扰动线性化假设下严格处理了桨叶旋转、流动压缩性、宽弦大后掠桨叶和桨叶间相互作用,体现了桨扇有轮毂而无机匣的特征.给出了桨扇设计中载荷-下洗角、厚度-下洗角核函数表达式,与机翼核函数的对比验证了其准确性,给出了其在升力面弦向积分和展向积分中的处理方式.讨论了反问题中各设计分布参数的给定方式,特别是最佳载荷分布的给定.构造了一种修正反问题设计中流动损失影响的损失模型.给出了设计算例,数值分析了该设计方法的准确性.研究表明,在跨声速区,反问题给定的弦向载荷分布与数值模拟的存在一定差异,这主要由该设计方法线性化假设与跨声速流动非线性的差别造成.反问题得出的基元功率系数分布、总体性能参数与数值模拟的吻合较好.      

二维翼型下表面增升辅助装置仿真及设计

为提高飞翼布局飞机的可用升力系数,以B-29 TIP翼型为研究对象,基于CFD开展了翼型腹部加装扰流板以配平增升装置打开后带来的低头力矩可行性研究,获得了腹部扰流板的作用原理,总结了扰流板弦向位置、偏度及高度对翼型气动特性的影响规律,以及扰流板与翼型后缘襟翼偏转的组合状态的气动特性。研究结果表明:腹部扰流板可改变翼型下表面流场的压力分布,扰流板前正压增大,扰流板后负压增大,从而产生抬头力矩。随扰流板弦向位置的后移,抬头力矩先增后减,于60%翼型弦长位置处达到最大值,升力先减后增,于40%翼型弦长位置处达到最小值。随高度及偏角的增大,抬头力矩单调递减,升力单调递增。     

用于电控旋翼的带襟翼翼型关键参数研究

为满足电控旋翼的设计需要,首先给出了可计及襟翼移轴补偿影响的带襟翼翼型的综合时域非定常气动力计算模型.以此为基础,对襟翼弦长比和移轴补偿率这两个重要参数进行了分析.结果表明:增大移轴补偿率会减小升力系数;俯仰力矩系数随襟翼弦长比增大将出现最值,该最值与移轴补偿率有关;襟翼铰链力矩系数随襟翼弦长比增加迅速增大,而增加移轴补偿率则可大幅度减少襟翼铰链力矩系数.对于电控旋翼而言,襟翼弦长比取0.2左右,移轴补偿取0.25左右,可以取得较为满意的效果.     

椭圆翼型高速气动特性实验研究

针对旋转机翼飞机主机翼翼型设计的特殊要求,在中国空气动力研究与发展中心FL-21风洞对16％相对厚度椭圆翼型马赫数0．4下的高速气动特性进行了实验研究,实验采用表面测压和尾排型阻测量技术。实验结果与数值计算结果的对比分析表明,数值计算具有较好的精确度,椭圆翼型的升力线斜率较小,压心位置靠前,力矩系数随迎角线性增大,最小阻力系数迎角并不像传统对称翼型那样为零度。     

翼吊长涵道发动机短舱内偏角优化和机理研究

翼吊式发动机短舱是现代大中型飞机最常采用的气动布局形式,发动机短舱及挂架相对于机翼的展向位置、弦向位置、垂向位置、内偏角、安装角均会对它们之间的流场产生影响,进而影响全机的气动特性。本文采用CFD数值计算的方法,对翼吊长涵道发动机短舱的内偏角进行优化分析。对比分析了不同内偏角时,高速巡航状态的干扰阻力和低速大迎角状态的失速特性,研究了高速巡航时挂架内侧出现高负压峰值的机理,以及不同剖面形状的挂架对内偏角优化的影响。计算结果表明：内偏角-0.5°、0°和0.5°时,干扰阻力及升力损失较小,不同剖面形状的挂架不会对内偏角优化结果产生较大影响,但可以减小挂架内侧的负压峰值。本文得出的结论对工程上翼下吊挂外挂物有一定的指导意义。