翼梢小翼几何参数对机翼气动特性影响研究

以某运输机为背景,以该机机翼为基本翼,加装融合式翼梢小翼,利用面元法,以诱导阻力最小为设计原则,研究翼梢小翼各几何参数对基本翼气动特性的影响规律.利用基于雷诺平均的N-S方程对基本机翼、带融合式翼梢小翼机翼的空气动力特性及尾涡特性进行对比,揭示翼梢小翼的减阻机理,为大型运输类飞机翼梢小翼设计提供依据.     

一种伸缩栅格结构变体翼梢小翼研究

翼梢小翼能够抑制翼尖涡的形成,减小诱导阻力,增加航程。目前翼梢小翼的设计目标是改善飞机巡航阶段的升阻特性,而无法在起降、爬升阶段提供最优的减阻效果。本文设计了一种伸缩栅格结构变展长翼梢小翼,通过在飞行过程中控制翼梢小翼高度的变化,改善飞机起降、爬升阶段和巡航阶段的气动性能。利用基于涡格法的AVL软件计算伸缩式翼梢小翼对飞机气动性能的影响,结果表明在起降、爬升阶段(0.3Ma,8°迎角),这种伸缩式翼梢小翼能使升力系数提高0.21%,诱导阻力系数降低0.57%,而翼根弯矩系数仅增加0.06%,因此这种伸缩式翼梢小翼具有改善飞机起降和爬升性能的潜力。     

现代先进翼梢小翼的气动特性分析

对于大部分的运输类飞机来说,飞机的巡航阻力在很大程度上决定了油耗,其中,诱导阻力占到总阻力40%左右,而翼梢小翼能使全机诱导阻力减小20%～35%,相当于升阻比提高7%。本文通过比较当前国际先进的四种翼梢小翼——上反式、帆板式、鲨鳍式和双羽式,基于相同的翼身组合体构型,建立统一拓扑结构的网格,通过N-S方程进行数值计算,分析其高速巡航状态的气动特性,比较它们之间减阻的区别及优劣,探索翼梢小翼的发展趋势。     

阶梯式翼梢小翼的初步研究

对于大部分的运输类飞机来说,诱导阻力占到总阻力40%左右。各大航空企业都在致力于研究翼梢小翼,以减少诱导阻力,提高飞机性能。当前,空客A320NEO和波音737MAX均将采用新型的翼梢小翼。本文提出了一种全新布局的阶梯式小翼,基于翼身组合体高速构型,使用数值求解NS方程的方法,对阶梯式翼梢小翼在机翼翼尖处的安装位置、展向起始位置、根弦大小和梢根比进行参数化研究。     

融合式翼梢小翼对飞机尾涡演化的影响

随着空中交通流量的增长，尾流间隔精细化、动态化缩减成为了民航发展的一种趋势，研究尾流演化过程也成为了民航领域关注的前沿科学问题。基于此，本文采用雷诺平均 N-S方程方法研究了B737-800飞机有无融合式翼梢小翼对飞机尾涡的演化过程影响。利用NASA动态尾流系统中APA尾涡消散模型计算了不同气象环境参数下有无小翼的尾涡环量变化。结果表明：融合式翼梢小翼可以分割翼尖涡，有效改变翼尖气流的流动特性，增大速度梯度，减小尾涡速度、尾涡能量集中程度和尾涡强度；不同大气湍流耗散率和大气层结稳定度下，小翼对尾涡强度的减小量不同。     

飞机加装翼梢小翼的结构适航验证

翼梢小翼在商用飞机上的应用越来越广泛,目前很多现役飞机或机型,申请加装翼梢小翼以达到减阻增升的目的,提高运营的经济性。加装翼梢小翼需要从多个专业角度进行适航验证已确保飞机的安全水平。本文主要从机体结构方面研究分析了翼梢小翼的安装对飞机结构的影响,指出了需要关注的问题,为适航审查人员提供指导。     

内置翼片管式静态混合器混合效果的大涡模拟

采用大涡模拟方法对内置翼片管式静态混合器内部的流场和浓度场进行了研究,对比了3种不同结构尺寸的翼片的混合效果和沿混合器轴线的压力损失.数值模拟结果表明小翼片的压力损失最小(ξs=0.52),但混合效果最差;长翼片的混合效果略好于大翼片,但其压力损失仅为大翼片的67%(ξl=2.31,ξb=3.41).同时还发现,在长翼片背后可形成两个逆向旋转的大涡,使混合器中心区域速度梯度增大,剪切作用明显,湍流强度增强.该流场结构能有效地驱使混合器中心高浓度流体流向壁面,从而增大高浓度流体和低浓度流体的接触面积,改善混合条件,故长翼片是一种值得推广使用的翼片结构形式.     

圆碟形水下滑翔机运动特性研究

为了研究圆碟形水下滑翔机的运动特性,基于动量(矩)定理建立圆碟形水下滑翔机的运动控制方程,采用四阶龙格-库塔法求解.从圆碟形外形对运动性能的影响、垂向运动控制和微力矩控制转向角度三个方面对圆碟形水下滑翔机的运动特性进行研究.结果表明:圆碟形水下滑翔机的全翼身外形提高了升阻比并大幅降低了转向运动半径,大幅提高了其在小水体内的机动能力;水下定深性能较高,并且耗能较低;微力矩控制转向是可行的,滑翔机在小水体内能够灵活地运动.     

叶尖小翼对轴流风机气动性能及噪声特性影响的数值研究

为了控制轴流风机叶顶泄漏流造成的气动损失和噪声,在轴流风机叶片顶部添加了融合式叶尖小翼结构,并对风机的气动性能及噪声特性进行了数值研究。采用大涡模拟结合声类比方程的数值方法,研究了叶尖小翼对轴流风机流场和声场的影响。通过对风机叶尖流场和声场进行分析,对比不同外倾角的融合式叶尖小翼周围的涡场结构以及表面声压脉动,分析了不同外倾角小翼对叶尖泄漏流的控制作用以及叶尖小翼对风机气动性能和噪声特性产生的影响。结果显示:叶尖小翼结构可以有效抑制叶尖泄漏涡以及叶尖分离涡的发展,降低轴流风机的气动噪声,提高轴流风机静压效率;使用20°外倾角的叶尖小翼,风机静压效率提高了1.1%,噪声降低了5.0dB;叶尖泄漏流造成的气动噪声主要是宽频噪声,叶尖小翼可以明显降低轴流风机的宽频噪声;通过优化叶尖小翼的外倾角可以在不损害风机气动性能的同时实现较好的降噪效果。     

基于非稳态模拟的SAE车模气动减阻降噪研究

以20°后背倾角阶梯背式SAE（Society of Automotive Engineers）模型为参考模型，基于改进延迟分离涡模拟（Improved Detached Eddy Simulation， IDDES）湍流模型，研究了分别在车模后倾斜面顶部和尾部添加涡发生器 （Vortex Generators， VGS）和沟槽（Riblets， RTS）时的非稳态流场结构，分析了两种被动减阻装置的减阻机制.同时通过提取流场声源信息，利用计算气动声学方法（Computational Aeroacoustics， CAA）和Ffowcs Williams-Hawkings（FW-H）方程对汽车噪声进行分析，研究了两种附加装置的声学特性.结果表明，两种附加装置减小了尾部涡结构强度，降低了气动阻力，同时降低了脉动压力，不仅实现了减阻还具有降噪的效果.减阻率分别为2.41%、2.76%，总声压级最大降低值分别为9.55 dB、5.46 dB.     

基于涡流发生器的Ahmed模型分离流被动控制实验

能源危机和环境恶化使人们意识到提高车辆燃油经济性的必要性,从而推动了车辆气动减阻技术的研究。选择具有尾部典型特征的30°倾角Ahmed模型为研究对象,通过在模型尾部安装涡流发生器控制装置,利用七孔探针测试技术研究了涡流发生器不同排列方式对尾流场的控制特性。结果表明,在实验状态下,Ahmed模型尾部存在大范围低压分离区,该分离区长度约为模型总长度的50%,是形成压差阻力的主要原因;涡流发生器排列方式对模型的尾流结构影响较大,当涡流发生器产生的流向涡与模型尾部分离涡运动方向相同时,分离流动控制效果明显,流向涡使得沿车身底层的动量掺混作用增强,模型尾流区的相对压差恢复系数可增加6.94%,尾流区长度降低40%;与之运动方向相反的流向涡会对模型尾部的分离涡运动产生阻碍作用,导致模型尾部流场中的压力降低。     

叶尖小翼对高亚声速扩压叶栅气动特性影响的数值研究

压气机正逐渐向着高负荷、高稳定性的方向发展.为有效控制该趋势下间隙区域内的流动损失加剧现象,可在高亚声速的扩压叶栅中加装叶尖小翼.本文对原型叶片及不同宽度的压力面与吸力面叶尖小翼叶片进行数值研究.结果表明:高亚声速下不同安装方案下的叶尖小翼均可以改善压气机的气动特性,削弱泄漏涡的强度,其中,压力面小翼对于流场的改善效果更为明显,与原型相比,PW2.0的总压损失系数降低了4.47%.     

二维平板横置小肋湍流减阻的数值分析及参数优化

采用RANS和LES相结合的数值计算方法,系统分析了给定条件下二维平板横置小肋对湍流摩擦阻力的影响。并开展了小肋外形及布置参数的优化研究。使用RANS方法计算平板阻力,而LES方法则着重分析流场变化过程,以分析减阻机理。通过对不同外形和参数小肋的CFD计算结果的比较分析,得到了该计算条件下减阻效果最佳的小肋参数,与光滑平板对比,最大减阻近4%。通过对流场的分析可以看到,横置小肋之间产生涡柱,改变了流体与平板的作用方式及近壁速度剖面,进而可以降低摩擦阻力。研究为进一步分析横置小肋在更宽速度和雷诺数范围内的有效性及开展全面的参数优化研究提供了基础。     

高速水下无人航行器仿生外形设计与阻力数值预报研究

为了研究水下无人航行器（unmanned underwater vehicle,UUV）的外形因素对阻力性能的影响,利用计算流体力学方法对不同航行器外形展开阻力预报及分析。对于水下高速UUV而言,优异的阻力性能对UUV的航速和续航能力的提升都是至关重要的。针对某高速UUV的减阻需求,首先结合SUBOFF标准模型进行了阻力特性数值预报,与试验数据对比验证了预报方法的适用性;在此基础上,模仿鲨鱼和海豚的外形特征设计了2种UUV水动力外形构型,针对2种外形构型分别预报了带有不同附体构型的阻力特性,得到了一种相比SUBOFF艇形具有明显减阻效果的UUV水动力外形。研究对低阻型高速UUV的外形设计具有一定的参考价值。     

利用导流板控制25°倾角Ahmed类车体尾流与气动阻力

通过风洞实验,研究了尾部导流板对25°倾角Ahmed类车体尾流与气动阻力的影响规律.对比了斜面两侧与斜面上边缘宽度分别为5mm,10mm和15mm导流板的减阻效果.试验中模型缩尺比为1∶2,基于来流风速与模型长度的雷诺数为8.7×105.研究结果表明,模型尾流中存在一对规则的拖曳涡,并伴随有强烈下扫流,尾部斜面上存在D形流动分离区.斜面两侧5mm宽导流板对尾流的影响很小,对应的气动阻力会增大约2.1%;斜面两侧10mm,15mm宽导流板以及不同宽度的水平导流板可显著削弱尾流中的拖曳涡.水平导流板能够消除斜面上的流动再附着并破坏D形分离区,其减阻效果明显高于两侧导流板,最大减阻率可达11.8%.     

鳍梢小翼对船舶减摇鳍性能的影响

为改善鳍梢周围的流动结构并提高减摇鳍的综合性能,对加装鳍梢小翼的船舶减摇鳍进行数值研究,分析了减摇鳍在攻角和水流速度一定条件下,有/无鳍梢小翼以及小翼不同安装位置对减摇鳍流场和性能的影响.研究结果表明,加装鳍梢小翼可增加减摇鳍的升力,合理的安装方式可使升力提高18.4％;相对其他位置,小翼加装在减摇鳍鳍梢上方效果更好.鳍梢小翼的加装减小了鳍梢两侧水流压差,削弱了旋涡的影响,改善了减摇鳍鳍梢周围的流场环境.     

平头卡车气动减阻设计及试验研究

为改善某平头卡车气动特性，降低风阻，通过卡车整车风洞试验研究不同部件对阻力系数的贡献，发现导流罩、领口板、后视镜、侧裙板对阻力系数的贡献很大. 根据空气动力学原理对导流罩等对阻力系数贡献大的部件进行气动减阻优化设计，并通过试验对减阻效果进行验证. 通过后视镜与导流罩的改型设计，改善卡车前端流场；对货箱尾部导流片进行参数组合设计，改善卡车尾部流场；得到各部件减阻效果较好的组合方案. 风洞试验结果表明，经过气动减阻设计，卡车车身气动性能得到明显改善，相比于初始模型，最佳气动性能组合方案的减阻效果约为7%.     

一种基于低速、小振幅周期运动CFD数值模拟的水下滑翔机附加质量求解方法

水下滑翔机在流体中变速运动会带动周围流体一起做变速运动,这一部分流体的质量称为水下滑翔机的附加质量.附加质量对水下滑翔机的动力学行为具有重要影响.本文提出了一种水下滑翔机附加质量求解方法,即利用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法对水下滑翔机在静止的无黏流体中低速、小振幅周期运动进行数值模拟,进而求得附加质量.使用商用CFD软件STAR-CCM+计算了海燕-L水下滑翔机的附加质量,与基于势流理论的H-S面元法计算结果相差5%以内;与水下滑翔机模型水池试验结果相比,除垂直于水下滑翔机机翼方向的附加质量λ₂₂以外,其他附加质量的相对误差在6%以内,优于常规的平面运动机构试验的CFD数值模拟等其他求解方法.该方法只需要建模一次,在同一个流体域中模拟水下滑翔机的4种运动方式,监控其所受水动力和力矩,即可得到水下滑翔机的附加质量,极大提高了附加质量求解效率.同时,该方法能适用于任意尺寸、形状的水下滑翔机,对不同型号水下滑翔机水动力外形设计、动力学建模都具有较大的参考价值.     

巡航状态下泵喷推进潜艇尾部喷流涡特性研究

采用DES(分离涡模型)湍流模型对巡航状态下泵-艇一体化模型进行全流域非定常数值模拟,利用Ω准则识别捕捉不同航速的泵喷尾部流场中的涡结构,研究喷流涡的动力学特性．结果表明：潜艇和泵喷推进器外部绕流与尾部喷流相互作用,产生不同的流场区域,随着航速增加无旋区和流场扩散区范围增加,艇体绕流和尾部喷流以更快的速度产生强耦合作用,并沿着潜艇前进的反方向发展和运动;随着航速增加毂涡变化区间不断增加,剪切层涡的范围和能量及脱落涡的能量也随着航速的增加而增加;旋转周期内,流场中部毂涡和脱落涡相互影响较弱,两种涡沿着叶轮旋转方向做无周期的旋转运动,流场尾部两种涡产生复杂影响,随时间产生无规则变化及运动．     

水下航行器阻力计算及结构设计

随着海洋探索的不断发展，水下作业对水下航行器提出了更高的要求。为了提高某水下航行器的减阻性能，本文基于计算流体力学（computational fluid dynamics,CFD）方法对预选的多种艏部型线以及舵板进行数值模拟，对比了它们的减阻性能，最终为航行器选择效果最佳的艏部型线以及舵板，并计算配备有最佳减阻效果的艇艏和舵板的航行器总阻力，对比分析其周围压力和流场特性。结果显示，所选的零部件相较于其他选择拥有更好的减阻性能，更适用于本文的水下航行器。本文研究结果可为航行器的结构设计和选择提供一定的参考。