翼型的气动最优化设计方法和反设计方法

本文将数值优化方法同计算流体动力学(CFD)相结合,形成两种跨声速翼型的气动设计方法,即:最优化方法和反设计方法.采用求解Euler方程的有限体积法计算流场,通过结合优化算法,从正反两个方向对跨声速翼型进行气动优化设计.实例证明它们是翼型气动设计的有效方法,有较高的工程应用价值.     

跨声速翼型多目标优化设计方法

本文通过采用多目标分级优化方法并基于求解全速势方程的跨声速粘流翼型计算方法，研究发展了一种多参数、多约束和多目标的跨声速翼型数值优化设计方法，应用该方法可以从普通低速翼型和超临界民办型出发通过多目标优化后得到在跨声速区的多个马赫数下阻力系数最小化的翼型几何外形，设计实践表明，该方法具有收敛快，调用目标函数次数少等优点。     

有限翼展机翼失速特性控制研究

针对有限翼展机翼大迎角下的流动分离情况,研究了一种新型流动控制技术———流动偏转器。通过风洞实验和数值计算相结合的方法,既验证了计算的准确性,又阐述了流动偏转器可改善机翼大迎角失速特性的作用。通过对流动方向变化规律和翼面边界层的深入研究,探寻了流动偏转器的控制原理:使来流向机翼吸力面偏转;削弱机翼前缘附近流动的三维效应使流动趋近二元化;使边界层内速度型变得饱满,减小速度型形状因子H12,增大速度型的稳定性,抑制流动分离。     

折叠翼变体飞行器非定常气动特性实验研究

折叠翼变体飞行器是一种可以在飞行中改变自身气动外形的新型飞行器。研制出了一种折叠翼变体飞行器的风洞实验模型,在风洞实验中测得了模型不同变体位置下的气动力以及进行变体运动时气动力的动态变化过程,并通过PIV实验手段获得模型周围的流场在变体运动过程中的变化情况。结果表明：在机翼变形过程中,折叠翼模型有明显的非定常气动现象产生,而且折叠变形的速度越大,非定常现象越明显。出现非定常现象的主要原因是变体运动对机翼前缘涡的影响。     

基于多项式混沌法的翼型不确定性分析及梯度优化设计

耦合伴随方法和非嵌入式多项式混沌法,发展了高效、可靠的不确定性梯度优化设计方法。利用伴随方程法求解目标函数对不确定性变量的导数,发展了一种梯度增强型多项式混沌法。通过亚声速和跨声速下等多种算例可以证明该方法可以提高不确定性分析的效率和精度。同时,利用基于方差分解的全局敏感性分析方法对不确定性变量的敏感性进行了量化。建立了多项式混沌耦合伴随方程的统计矩梯度求解方法,并结合梯度增强型多项式混沌法搭建不确定性梯度优化设计系统。基于该优化设计系统对二维低亚声速和跨声速翼型开展确定性及不确定性优化设计研究。优化结果显示,相比于确定性优化设计,不确定性优化设计通过合理权衡确定性性能和不确定性性能,可提高抵抗马赫数和迎角不确定性扰动的能力,同时优化性能均值和标准差。其中阻力系数均值最大可降低17%,阻力系数标准差最大可降低80%。而确定性优化设计可能导致性能鲁棒性的降低。     

变后掠角与变翼型厚度机翼的气动特性分析

为了探究变形翼的组合变形对于机翼气动特性的影响,首先,建立不同后掠角、翼型厚度的机翼模型;其次,对模型在宽广速域的扰流流场进行CFD数值模拟;最后,分析了在亚声速下机翼的升/阻力系数、升阻比、流场情况。研究结果表明：后掠角增大会减小升/阻力系数,但升阻比并非总是减小的趋势,速度越高,大后掠角越有优势;翼型厚度增大能够减缓大迎角下升阻比减小的趋势,对后掠角所引起的升阻比变化影响不大,当Ma=0.8时,机翼气动性能较差;同时考虑两者影响时,当Ma=0.8时,大后掠角、小翼型厚度具有较小的阻力系数和较高的升阻比,而小后掠角、大翼型厚度则更适合低亚声速飞行。     

经典跨声速翼型RAE2822数据分析

经典跨声速翼型RAE2822风洞试验数据长久以来被广泛用于CFD计算方法和软件的验证与确认,但是数据的正确使用或者说合理使用仍存在一些需要研究和注意的问题,包括计算网格、风洞试验数据修正、中弧线修正、翼型几何定义和建模,以及摩擦阻力系数和边界层速度剖面的原始定义等。在开展CFD研究之前,必须首先对计算方法进行验证,尤其是要先尽可能消除计算结果对计算网格的依赖性;经过对目前可开放使用的计算网格的不足之处进行分析,研制了一套高品质的计算网格并获得了预期的一阶网格收敛性;通过计算软件交叉验证,进一步确保所用计算软件的可信度。在将CFD计算结果与翼型风洞试验数据进行比对时,通常需要对马赫数和攻角进行修正,且如何修正是一个需要持续研究的问题;翼型中弧线修正是一种有效的方法,但需要考虑流动参数的影响。原始翼型几何构型采用有限离散点定义,计算网格生成过程中需要采用插值方法布置型面网格点,不同插值方法对于翼型前缘附近流动的数值模拟有细微影响。多数相关研究工作只比对压力分布;少数研究工作会比对摩擦阻力系数、边界层及尾迹速度剖面,但在比对时,需要注意原始风洞试验相关参数定义与CFD计算常用定义的区别。     

基于动网格法的翼型启动过程数值模拟

采用动网格法对NACA4421翼型以15°攻角启动过程进行了数值模拟。计算给出了启动过程中尾缘启动涡的生成、脱落与绕翼型环流充分发展的瞬态流场及气动力特性变化曲线,并对升力数据进行了拟合。计算结果表明,启动瞬间,上翼面最大负压和上下翼面最大压强差均出现在翼型后半段,随后逐渐向前缘移动,最终稳定在前缘点附近。下翼面最大正压点和上下翼面压差随弦向位置的最大变化率则始终维持在前缘点附近。加速过程中,整个翼型受到的升力近似于瞬时速度的二次幂指数的规律变化。加速段结束后,翼型转入匀速运动的瞬间出现升力小幅下降的现象,之后逐渐回升至稳定升力。     

翼型加装格尼襟翼的低雷诺数气动特性实验研究

为了研究低雷诺数下格尼襟翼对翼型气动特性的影响,通过风洞试验研究了Eppler387翼型加装0.5%～5.0%弦长高度格尼襟翼后的气动特性变化,试验雷诺数1.49×105～2.31×105。试验结果表明：低雷诺数下Eppler387翼型加装格尼襟翼后,升力系数和力矩系数明显增大,襟翼高度大于2%弦长时阻力系数显著增大。格尼襟翼在高升力系数下能够起到增大升阻比的作用,适用于微小型飞行器工作在大载荷状态,而0.5%弦长高度的襟翼还能够兼顾中小升力系数下的气动效率,同样适合于微小型飞行器在巡航状态使用。与原翼型相比,加装襟翼后最大升阻比对应的迎角提前,随襟翼高度的增加,翼型升阻比曲线峰值变得不再突出。     

自然层流超临界翼型的设计研究

阐述了研究发展我国自然层流超临界翼ＮＰＵ－Ｌ７２５１３的设计思想,设计要求和转捩位置的判别技术和设计方法,首次提出了利用弱激形足够压梯度的自然层流超临界翼型的设计思想,解决了维护层的所需的一定顺压梯度压力分布形态和无激励超超临界翼型的屋顶状压力分布要求的矛盾,风洞实验结果表明,所设计自然层流超临界翼型达到了设计要求。