Integrated optimization on aerodynamics-structure coupling and flight stability of a large airplane in preliminary design

The preliminary phase is significant during the whole design process of a large airplane because of its enormous potential in enhancing the overall performance. However, classical sequential designs can hardly adapt to modern airplanes, due to their repeated iterations, long periods, and massive computational burdens. Multidisciplinary analysis and optimization demonstrates the capability to tackle such complex design issues. In this paper, an integrated optimization method for the preliminary design of a large airplane is proposed, accounting for aerodynamics, structure, and stability. Aeroelastic responses are computed by a rapid three-dimensional flight load analysis method combining the high-order panel method and the structural elasticity correction. The flow field is determined by the viscous/inviscid iteration method, and the cruise stability is evaluated by the linear small-disturbance theory. Parametric optimization is carried out using genetic algorithm to seek the minimal weight of a simplified plate-beam wing structure in the cruise trim condition subject to aeroelastic, aerodynamic, and stability constraints, and the optimal wing geometry shape, front/rear spar positions, and structural sizes are obtained simultaneously. To reduce the computational burden of the static aeroelasticity analysis in the optimization process, the Kriging method is employed to predict aerodynamic influence coefficient matrices of different aerodynamic shapes. The multidisciplinary analyses guarantee computational accuracy and efficiency, and the integrated optimization considers the coupling effect sufficiently between different disciplines to improve the overall performance, avoiding the limitations of sequential approaches utilized currently.     

Control techniques of tilt rotor unmanned aerial vehicle systems:A review

The tilt rotor unmanned aerial vehicle (TRUAV) exhibits special application value due to its unique rotor structure. However, varying dynamics and aerodynamic interference caused by tiltable rotors are great technical challenges and key issues for TRUAV's high-powered flight con-trols, which have attracted the attention of many researchers. This paper outlines the concept of TRUAV and some typical TRUAV platforms while focusing on control techniques. TRUAV struc-tural features, dynamics modeling, and flight control methods are discussed, and major challenges and corresponding developmental tendencies associated with TRUAV flight control are summa-rized.     

替损件设计技术在飞机结构上的应用

详细叙述了替损件的设计思想和设计原则,以及在飞机结构上的应用实例。主梁的疲劳试验和翼身组合体的对比试验结果表明：替损设计可以大大提高结构的抗劳品质,并控制裂纹出现的部位,为实现结构长寿命高可靠的目标,提供了一条成功的途径。     

大型客机机翼前缘缝翼气动及其机构一体化设计

前缘缝翼系统设计是一个涉及多目标、多学科综合的问题。针对这一复杂问题,首先解决了前缘缝翼支撑与驱动机构设计的诸多难点,然后利用CATIA二次开发技术,建立了一套气动和机构一体化设计平台,将前缘缝翼气动设计和机构设计有机地结合起来。大型客机前缘缝翼气动机构一体化设计子平台的功能是向用户提供前缘缝翼以及支撑与驱动机构设计参数的输入;然后驱动CATIA自动生成前缘缝翼起飞着陆状态的气动外形;在此基础上自动生成支撑与驱动机构零件,装配并仿真;最后通过高效的气动评估方法来评估前缘缝翼在机构引导下得到的起飞着陆性能是否满足总体设计要求。     

宽温度范围大口径高精度变温标准黑体辐射源研制

红外成像探测系统的应用环境越来越复杂,工作适应温度范围低温可达到-50 ℃以下,高温可达到70 ℃以上。为满足相应要求,研制宽温度范围大口径高精度变温标准黑体辐射源,采用细分均匀加热、模糊PID自整定控制算法、双路配气保护等技术,满足高低温需求,同时开展腔型设计、超黑高发射率涂层等相应研究,保证了黑体辐射源的整体性能,确保完成相应功能。研制完成后,在高低温环境下进行了验证试验,可达到以下指标：有效发射率≥0.999,空腔开口直径≥60 mm,温度测量不确定度10 mK（k=2）。经验证,可满足宽温度范围条件红外探测系统的计量要求。     

突扩燃烧室低频燃烧不稳定形成机理分析

突扩燃烧室在一定的工作条件下会出现燃烧不稳定现象。采用实验和数值模拟的方法对突扩燃烧室形成低频燃烧不稳定的机理进行了研究。通过实验研究发现突扩燃烧室压强振动过程中纵向振型占主导地位,但其振动频率并不与声学频率一致。建立了适合分析燃烧不稳定的多步化学反应动力学与大涡模拟耦合的数值分析方法,对实验发动机开展了非稳态数值模拟,获得了低频燃烧不稳定形成演化的详细过程和流场结构。实验和数值计算表明突扩截面形成的旋涡脱落,以及旋涡在燃烧室内的运动过程中引起燃烧面积、局部当量比和热释放率的脉动是激发低频压强振动的主要原因。压强振动引起上游速度脉动,进而形成旋涡脱落。大尺度旋涡在燃烧室内的运动又会引起热释放率的大幅度脉动,反过来又会促进压强振动。振动频率是由压强波和旋涡运动特征时间共同决定的。     

钝体绕流有旋流中回流区与进动涡核的大涡模拟

针对旋流数为0.57、0.68、0.91和1.59四种工况下的悉尼旋流燃烧器的冷态流场进行了大涡模拟,选取动态Smagorinsky涡黏模型作为亚格子尺度的湍流模型,研究不同旋流数下的流场结构、进动频率和进动涡核。模拟结果表明,旋流数为0.68时,钝体回流区长度最短。随着旋流数的增加,中心射流出口的旋流剪切层不断衰减,而下游的旋流剪切层不断增强。功率谱分析表明,进动现象的出现和消失对应于与旋流剪切层的增强和衰减;中心射流与下游区域具有不同的进动频率,表明流场中存在着两个独立的大尺度涡旋结构。不同取值位置的周向速度相关性分析进一步佐证了两个涡旋结构的存在。轴向位置70 mm处的横截面上瞬时流线和压强分布证实了下游流场存在着进动涡核。瞬时压强等值面显示了中心射流出口和下游流场进动涡核的三维螺旋形结构。下游流场的进动涡核均与平均速度场流线在空间上成正交关系,表明进动涡核是由剪切层Kelvin-Helmholtz不稳定性产生。     

S弯喷管喷流噪声特性研究

为了研究S弯喷管亚声速喷流的噪声特性,采用大涡模拟结合FW-H方程方法,通过数值模拟得到轴对称喷管和S弯喷管的流场及远场噪声。结果表明：S弯喷管的S形弯曲及圆转方构型导致了主流流向变化和横向压力梯度,S弯喷管出口截面角区及下方中心线附近均有不同尺度的旋涡分布,通过加强掺混减弱喷流与大气之间的剪切,使得S弯喷管噪声源尺度小于轴对称喷管。S弯喷管将St=0.08~0.2的噪声转移到St=0.2~0.3,在喷流下游10°~50°,S弯喷管相比于轴对称喷管噪声总声压级减小了6~8dB,在20°接收点处降噪效果最佳,相比于轴对称喷管减小了约8dB。在喷流上游S弯喷管降噪效果减弱,仅减小了2~4dB。在下游10°~80°处,S弯喷管水平探测面噪声总声压级比垂直探测面高2~3dB,在喷流上游二者差异较小。     

基于湍动能谱的自适应大涡模拟方法

为了在计算量有限的前提下实现对不同尺度上湍流燃烧结构的直接求解,提出了新的基于湍动能谱的自适应大涡模拟的概念。在这一概念下,利用湍动能谱和自适应网格技术建立了跨尺度算法,从而实现DNS和LES两种方法的耦合。在湍流非预混氢气射流火焰的模拟中,该方法既能捕捉大尺度湍流结构,又能分辨小尺度燃烧结构,计算出的物理量的瞬态和时均分布和DNS结果吻合得较好。计算偏差主要体现在DNS和LES区域的过渡处,这与亚格子湍动能在过渡处的变化不够平滑有关,表明跨尺度算法需要优化,以完善对不同尺度间湍动能传输的模拟。 