柔性后缘可变形机翼气动特性分析

应用后缘主动变弯度技术的机翼能够改善飞行器的气动性能,其气动特性的研究对于未来可变形机翼的设计具有重要意义。以柔性后缘可连续变弯度二元机翼为研究对象,在Fluent计算平台上采用可压缩Navier-Stokes方程和Spalart-Allmaras(S-A)湍流模型进行气动力数值研究,从压力分布、流场结构和机翼变形方式等方面分析了可变形机翼的气动特性。数值计算结果表明,可变形机翼升力线斜率和最大升力系数与常规带简单襟翼的机翼基本一致,但失速攻角较小;在失速之前,可变形机翼具有较高的升力系数和升阻比,但同时产生较大的低头力矩。柔性后缘下偏到一定角度可以抑制后缘涡的前传,在失速后升力系数出现缓慢上升,增大了有效攻角的范围,具有较好的失速特性。      

双三角翼外翼前缘钝化对涡流特性的影响

通过风洞试验，利用７孔探头对７５°／４５°和７５°／６０°两种典型双三角翼进行了空间流场测量，研究了双三角翼前缘形状对大迎角涡流特性的影响．试验结果表明，双三角翼外翼前缘钝化使双涡态的双三角翼内、外翼涡互相靠拢、增加干扰，当出现合并涡态时，使合并涡涡核向内下方偏移；外翼前缘钝化使外翼涡或合并涡的Ｃｐ０、Ｖｘ较尖前缘时为高，最终使外翼涡或合并涡推迟破裂．     

积冰几何特性对翼型性能影响的神经网络预测

积冰几何形状对翼型气动系数的影响是复杂的.采用BP(Back Propagation)神经网络的LM(Levenberg-Marguardt)学习算法,建立明冰的典型几何特性(冰角前缘半径、冰角高度和冰角位置)对翼型气动系数影响的神经网络,得到该3种几何参数对气动系数影响的规律;建立了典型冰形参数对最大升力系数影响的神经网络,该网络能很好的预测冰形参数对应的最大升力系数值;此外,建立了冰型位置对舵面铰链力矩系数影响的神经网络.仿真结果表明,BP神经网络仿真结果与实验值具有高度一致性,并能预测非实验值条件下的气动系数;翼型表面积冰位置变化对气动系数影响最大;铰链力矩系数在失速迎角达到之前就发生突变,可以更安全地用来预测失速的发生.      

对旋风机转速改变对其气动特性的影响

对旋风机前后级转速比对风机气动特性影响较大,合适的转速比有利于提高对旋风机气动性能。采用数值计算和实验模拟方法研究对旋风机前后两级叶轮转速改变对风机气动特性的影响。首先,通过速度三角形定量分析转速改变对风机功率和内部流动参数的影响。之后,数值计算的结果与实验进行对比,分析基准转速下风机整体性能的变化。最后,通过数值计算结果对风机内部气体的流动进行具体分析,发现在保持进口条件不变的条件下,前后两级叶轮转速改变相同百分比时,第1级转速改变可以更加有效的改变风机的流动参数和性能,综合比较整体性能变化与实际应用确定了最优转速比为1.1∶1,此转速比下传动效率为88.4%时对旋风机效率为75%。     

旋翼/平尾气动干扰对直升机配平特性的影响分析

旋翼/平尾气动干扰建模是直升机全机配平模型和飞行动力学模型的核心内容。常规全机配平模型主要通过旋翼下洗流或诱导速度等方式间接考虑旋翼对平尾的气动干扰作用,但未充分考虑旋翼对平尾非定常气动干扰产生的非线性气动载荷,因而仍难于准确体现旋翼/平尾气动干扰对全机配平特性的影响。为此本文基于非定常面元/黏性涡粒子法,通过在平尾面元中增加由旋翼和平尾尾迹时变干扰产生的非定常压力项,建立旋翼/平尾气动干扰模型,直接计算平尾非线性气动载荷,并耦合基于GA/LM混合优化的直升机全机配平方法,构建旋翼/平尾气动干扰作用下的直升机全机配平特性分析方法。通过计算UH-60A直升机的旋翼操纵量和机体姿态,并与试验测试值对比验证本文方法的准确性。通过与基于诱导速度考虑旋翼/平尾气动干扰的直升机配平结果比较表明,后者难于体现直升机低速纵向操纵量和机体俯仰角突增现象,而本文方法能较好地体现直升机低速纵向操纵量和机体俯仰角突增,且与OH-6A、EH-101等试验测量的特性一致。研究不同平尾构型对旋翼/平尾气动干扰下直升机全机配平特性的影响,分析表明低平尾产生较大的低速纵向操纵量突增,而高平尾则增加高速纵向操纵量;前置平尾产生较大的低速纵向操纵量突增,右旋直升机的右置平尾有利于减小低速纵向操纵量突增和机体俯仰角。      

后缘喷流对三角翼前缘涡影响的数值模拟

为了研究三角翼后缘对称喷流对前缘涡破裂位置和旋涡结构的影响,通过高分辨率的N-S方程数值模拟方法,对60°后掠角三角翼后缘有对称喷流及无喷流情况下的绕流进行了研究.结果表明,后缘喷流速度与自由来流速度之比影响前缘涡破裂的位置.与无喷流情况相比,喷流与来流速度比的不同造成了涡破裂的提前或推后.而与传统结论有所不同的是,并非所有的后缘喷流都能延迟涡的破裂.另外,后缘对称喷流对涡轴位置的影响很小.后缘对称喷流不改变三角翼前缘涡横截面流动拓扑结构的变化规律,但影响极限环的扩张速度.      

矢量喷流下平尾偏转对飞机气动性能的影响

通过系列参数试验,研究有、无矢量喷流作用下飞机平尾偏转对飞机气动特性、操纵特性以及飞机绕流/矢量喷流之间干扰特性的影响.实验结果表明:在亚音速中小迎角下,有、无矢量喷流时平尾偏转并不影响飞机的纵向静稳定性,只是改变飞机的零升力矩系数m_z0和零升力迎角α₀,但平尾偏转可以较大幅度地改善前体机翼的绕流形态,减缓机翼涡及边条涡的破裂.此外当飞机处于失速状态时,矢量喷流对于涡破裂失速流动表现出强烈的干扰作用,对飞机的气动特性产生了较大的影响,其干扰区域不仅局限于飞机后体,而且还延伸至前机体,该有利气动干扰量可以达到飞机气动力的10%以上.     

双三角翼外翼前缘钝度对气动特性的影响

笔者对75°/60°双三角翼模型进行了水洞流态观测实验、低速风洞测压实验、空间流场测量实验,研究了双三角翼外翼前缘钝度对气动特性影响,包括对涡态的影响。这里发表的是第一期实验的初步结果。结果表明,外翼前缘钝化使内翼涡涡核推迟破裂,外翼前缘钝化主要影响双三角翼前缘折点后的后半翼上表面的C_p分布,特别是在涡发生破裂后,其影响较大。     

火星大气模型参数对MSL气动特性的影响

火星大气与地球大气截然不同,飞行器在进入火星时气动特性不同于地球再入. 大气模型的差异主要表现为气体组份、密度和温度等物理参数. 针对火星进入器MSL在进入-下降-着陆过程中的高超声速进入段,利用三维并行程序求解耦合真实气体模型的流体动力学Navier-Stokes方程,分析MSL进入火星大气时大气模型参数对进入器气动特性的影响. 结果表明,通过与海盗号飞行数据的对比,验证了所采用的火星气体模型和计算方法,且其与NASA的 LAURA代码气动特性计算结果也较为一致;大气模型气体性质,即CO₂环境对进入器阻力系数和俯仰力矩系数影响较大,利用空气得到的计算和实验数据必须考虑CO₂效应;密度增大促进了化学非平衡效应,但对进入器气动特性基本没有影响;温度升高大大增强了化学非平衡效应,而对进入器气动特性影响较小.     

鸭翼/边条对融合体型机身大攻角气动特性影响

通过对融合体型机身进行表面测压和PIV(Particle Image Velocimetry)流动显示实验,研究了大攻角下鸭翼/边条对机身气动特性的影响规律.结果表明:加装鸭翼后攻角小于50°时机头区流动变化不大,超过50°攻角后,机头区法向力显著下降,并且随着攻角增加受影响区域向头部方向扩大;加装鸭翼致使鸭翼区截面法向力大幅增加.加装边条改善了边条区流动,边条涡对机头涡产生有利诱导,增大了边条区法向力.加装边条/鸭翼时,对机头区及鸭翼区流场的影响由鸭翼起主控作用,对边条区流场的影响由边条起主控作用.     

外流对塞式喷管流场和性能的影响

在四个不同高度上选择有代表性的外流马赫数,计算和对比了不同外流下塞式喷管性能的降低和塞锥表面的压强分布,数值模拟研究了外流对塞式喷管流场和性能的影响.结果表明,外流造成的性能损失主要体现在运载器底部阻力增加和塞锥表面压强降低两方面.在中低空以下,运载器底部推力和塞锥推力均随外流马赫数的增加而减小,飞行中外流对性能的影响随高度的增加而减弱,从低于设计点的某一高度开始塞锥推力不再受外流影响.低马赫数亚声速外流时,性能损失随外流马赫数的增加成近似线性增加;跨声速外流时,性能损失突然出现较大幅度增加;在继续的超声速范围内,性能损失随外流马赫数增加只有小幅增长.      

昆虫翅平面形状和展弦比对其气动性能的影响

应用计算流体力学的方法研究昆虫翅膀平面形状和展弦比对其拍动运动时气动力的影响.选取了10种具有代表性的平面形状和展弦比差别较大的昆虫翅膀作为研究对象.这10种昆虫分别是果蝇、大蚊、蜂蝇、食蚜蝇、瓢虫、熊蜂、蜜蜂、草蜻蛉(前翅)、鹰蛾 和蜻蜓 (前翅).研究结果表明:翅膀面积的二阶矩折合半径越大其气动力越大,当使用翅膀面积的二阶矩折合半径处的速度作为参考速度时,翅膀平面形状对无量纲气动力的影响很小.当翅膀展弦比有较大变化(从2.8增大到5.5)时,气动力系数只有很小的变化.流动的三维效应减弱和部分前缘涡(LEV,Leading-Edge Vortices)的脱落,这两种效果相互抵消,导致气动力系数变化不大.      

三角翼前缘涡破裂点脉动的实验分析

在水槽中和风洞中分别进行了流动显示和动态测压实验,目的是研究三角翼前缘涡破裂点的脉动现象.对流动显示图片中涡的破裂点位置进行统计和频谱分析,表明破裂点振荡存在双主频特征,位于0.07位置的主频对应着螺旋—泡—螺旋的转化过程,位于0.2~0.4之间的主频对应着螺旋形态破裂本身的小幅振动.对统计的破裂点位置数据做低通滤波后进行相关性分析,还表明了三角翼左右2个前缘涡的破裂点位置信号具有负相关性.进行三角翼表面动态压力测量,对压力数据低通滤波后做相关性分析,发现相同的一条前缘涡的动态压力信号在整个翼面上都具有高度的相关性.      

后掠翼对细长体中段大迎角绕流的影响

采用在细长体顶点处添加扰动块的方式使细长体的绕流具有确定性.研究了在大迎角下,后 掠翼对细长体绕流结构和气动力特性的影响.实验结果表明,在30°迎角时,细长体中段背 风侧的流动和压力分布受到后掠翼与头部背涡的双重控制.在迎角α=40°~60°范围内 , 后掠翼对细长体中段绕流起主控作用,使细长体中段背风侧流动呈现完全分离流状态,使得 中段背风侧的压力分布保持为均值.      

联翼布局俯仰力矩非线性变化特性的数值模拟

联翼布局飞机具有优良的升阻特性,是下一代亚声速飞机优先选择的气动布局型式之一,但在某些情况下其俯仰力矩随迎角的增大会表现出较强的非线性变化特点.针对该问题,在Ma=0.75条件下,采用数值模拟方法对某亚声速联翼布局气动性能及其绕流流场进行研究,通过对各部件气动特性分析,结合不同前翼绕流流动状态下前/后翼绕流场特点及截面气动力分布特点,揭示了前翼对后翼绕流流场干扰是引起其俯仰力矩非线性变化的主要原因.计算结果表明:在一定迎角下,该联翼布局飞机前翼绕流发生分离,从而影响后翼绕流流场,引起后翼气动效率下降,导致全机俯仰力矩随飞机迎角发生非线性上扬,对该机飞行性能的提高带来严重影响.     

氢动力无人机大展弦比机翼静气弹特性分析

以氢动力超长航时无人机(UAV)为背景,针对其大展弦比轻质复合材料机翼,采用强耦合方法求解了几何非线性变形下的静气弹特性,对比了弹性机翼与刚性机翼的气动性能,并在此基础上,给出了一种刚性机翼的弹性气动力修正方法。结果表明:相比刚性机翼,弹性机翼巡航状态下的升阻比降低3.2%,滚转力矩导数和偏航力矩导数显著增大,对飞机的气动性能产生不利影响;基于刚性计算结果,对大展弦比机翼进行气动修正,是一种有效的大展弦比轻质机翼气动分析思路。