宽速域变体双翼飞行器气动布局设计研究

宽速域飞行器速度快、部署灵活,具有重要应用价值。然而,宽速域飞行器的飞行包线显著宽于传统飞行器,不同设计点的气动外形设计要求相互矛盾,对气动布局设计提出了很大挑战。针对此类飞行器的设计需求,提出一种“宽速域变体双翼飞行器”气动布局形式。此类飞行器由升力体机体、动翼、端板、连杆构成,可在低阻双翼、展开单翼、折叠单翼3种构型间切换。其中,低阻双翼构型在高速飞行状态下具有低波阻、高升阻比特性;展开单翼构型具有大升力面积、大展弦比;折叠单翼构型具有小升力面积、大长细比。飞行器通过流场波系引导的优化设计方法设计,同时将变体过程的几何约束引入设计方法中。典型工况下各构型气动性能的对比分析表明,通过在3种构型间切换,变体双翼布局型式飞行器在宽速域飞行剖面内具有较好的综合气动性能。     

嵌补式网格技术在三维增升装置绕流数值模拟中的应用

基于Jameson的有限体积方法,采用多块网格技术求解Reynolds平均N-S方程组,对三维增升装置绕流进行数值模拟.提出了新颖的嵌补式多块网格技术,使得网格生成和流场计算得到了明显的简化.计算结果与实验数据吻合良好.     

流场波系引导的三维消波翼优化设计方法

为提升高超声速飞行器的升阻比,一种重要设计思想是让飞行器各组件的激波、膨胀波产生有利的相互作用,获得增升、减阻的效果。基于上述设计思想的高升阻比构型通常根据无黏二维/轴对称流场的激波-膨胀波关系设计。由于三维效应与空气黏性的影响,其实际性能相比理想设计性能往往存在较明显的退化。针对上述问题,提出流场波系引导的优化设计方法。不同于以气动性能指标为目标的传统优化方法,该方法以设计流场的波系形态为目标引导几何参数的优化方向。设计方法在一种主翼、上翼产生有利干扰的三维消波翼的设计中得到应用验证。通过将优化构型的流场、气动性能与根据二维无黏方法设计的初始构型对比,证明了优化设计方法的有效性。通过与菱形翼对比,验证了消波翼在设计工况下相比于常规构型的升阻比优势。     

小型电动无人机航程航时估算模型

小型电动无人机通常采用锂电池、无刷电机和螺旋桨组成能源动力系统,飞行过程中锂电池的实际工作电压发生变化,但飞机的总重量不变,其航程航时的估算方法与传统的燃油飞机有所不同。为了准确评估动力系统对飞机设计的影响,建立了以锂电池为动力的电动飞机推进系统模型,通过与实验数据比较,验证了各部分模型的准确性。利用该动力系统模型,对某款小型电动无人机进行了航程和航时估算,结果表明本文的建模方法准确有效,航程航时估算接近实验数据,可作为小型电动无人机设计的重要参考。     

针对超临界翼型气动修型策略的强化学习

强化学习是一类用于学习策略的机器学习方法,通过模拟人的学习过程,与所处环境不断交互来学习动作策略,用以获得最大累积回报。以设计师在翼型气动设计中的增量修型过程为例,给出强化学习在气动优化设计中的要素定义和具体算法的实现。研究了预训练中选择不同示例对预训练和强化学习结果的影响,并将强化学习得到的策略模型在其他环境中进行了迁移测试验证。结果表明,合理的预训练能够有效提高强化学习的效率和最终策略的鲁棒性,且所形成的策略模型具有较好的迁移能力。     

基于离散伴随的流场反演在湍流模拟中的应用

精确模拟湍流流动是学术界和工业界均普遍关注的问题。采用数据驱动湍流建模的思路,建立了基于离散伴随方法的流场反演框架。通过为SA模型涡黏性输运方程的生成项乘以非均匀分布的系数,并利用有限的观测数据对该系数进行推断,实现对SA模型的修正。为了提高带有物理约束的离散伴随优化的效率,发展了约束增广的伴随方法,其高效性在本文得到了验证。选取了结冰翼型和周期山2个分离算例进行分析,所得结果在2个算例中均能以很高的精度拟合观测数据,并能借助湍流模型的修正将有限的观测信息泛化到整个流场。分析表明,流场反演所推断出的修正区域具有较为明确的物理意义,能够指导湍流模型的进一步改进。     

NSGA-Ⅱ算法的改进及其在多段翼型缝道参数优化中的应用

提出了NSGA-Ⅱ算法的一个改进方法,对加入新种群的父代种群个体进行精英筛选,从而增加了新种群中新个体的数目,以实现更好的全局寻优。选取一个有理论解的优化问题,对算法全局寻优能力的改进进行了验证。随后使用改进后的NSGA-Ⅱ算法作为核心算法搭建了集群并行优化平台,对多段翼型的缝道参数进行优化设计,获得了较为满意的结果。优化验证算例显示,该集群并行优化平台具有较高的效率和可行性。     

空气动力驱动变体飞展翼飞机

采用大展弦比机翼是提高飞行器升阻比的关键。然而;大展弦比机翼使飞行器的起降受到多方面的影响、限制;如跑道宽度、结构安全、气流影响等。介绍了一种原创的飞机变体形式;其以单翼巡航;双翼起降;在飞行中对2种模式进行双向切换;其变体不依赖于主动驱动机构;而是依靠对空气动力的调控来驱动和控制。这种变体形式可以大幅度改变翼展;兼顾了起降与巡航对飞行器翼展的不同需求;也使为实现变体付出的结构重量、空间、复杂度等代价降到了最低;但作为一种全新的变体方式;其也带来了气动设计、动力学与控制、结构可靠性、试验验证等多方面挑战。     

超临界机翼多目标气动优化设计的策略与方法

超临界机翼的气动设计十分复杂,往往需要借助于有效的优化手段。然而,优化方法本身往往无法直接表达真实完整的设计意图,因此需要将工程需求和约束转换为优化方法所能处理的数学形式。本文首先探讨了梯度优化方法和进化类优化方法在气动优化中的表现。之后简要总结了前人在飞机气动设计中提出的准则和要求,并基于压力分布形态定义了超临界机翼气动设计的关键特征及定量要求,探究其在超临界机翼气动优化设计中的应用效果。研究结果表明,在多目标优化中引入面向压力分布形态特征的目标和约束,能有效引导优化体现工程设计思想,进而提高优化效率。     

真实飞行器网格生成策略及在航空 CFD 中的应用

从应用于型号气动设计的实用软件研制的需求背景角度,探讨真实飞行器网格生成策略,以几种典型的军机、民机及导弹实用外形为例,研究生成贴体及与边界正交高质量计算网格,并应用于复杂流场计算。经全机亚、跨、超音速、大迎角及发动机进排气复杂流场测试,空气动力和力矩系数以及物面压力分布与实验数据吻合良好,证明本文论述的网格生成方法是实用、有效的。