前掠翼与平直翼布局气动特性的比较分析

基于ANSYS 11.0的计算流体力学模块CFX,选取Reynolds平均的三维N-S方程及SST涡粘湍流模型,采用数值计算和流场可视化分析方法,对变前掠翼布局在低速起飞／着陆及高跨音速作战使用状态的气动性能进行了计算。着重对前掠翼与平直翼布局气动特性和流动机理进行了比较,通过对涡结构的分析发现,机翼前掠使得机翼前缘涡和鸭翼机身涡呈“V”字型靠近并相互加强,从而诱导出了二次涡,大大提高了对翼面气流分离的控制能力,验证了增大升力系数和失速迎角的机理。计算结果表明变前掠翼布局设计合理。     

鸭翼涡与边条涡对前掠翼布局的增升研究

为了研究鸭翼、边条对前掠翼布局气动性能的影响,采用三维N-S方程,分别计算了加装鸭翼、边条及鸭翼边条组合的前掠翼模型纵向气动性能,并通过流场显示分析了旋涡流动机理.研究表明,3种模型均可有效改善前掠翼布局的升阻特性.前掠翼加装鸭翼后,鸭翼分离涡的下洗作用使机翼上翼面的分离区减小,能有效控制机翼表面流动,最大升力系数提高40%;加装边条后,边条翼产生的边条涡干扰推迟了前掠翼翼根气流分离,并产生涡升力,升阻特性优于基本翼;同时加装鸭翼与边条,鸭翼涡与边条涡相互诱导,增强了对机翼表面流动的控制能力,最大升力系数比加装鸭翼模型提高3%左右,气动性能显著改善.     

前缘钝度和雷诺数对三角翼流场的影响

采用RANS方法实现三角翼前缘涡流场结构的数值模拟,计算采用全湍模式。通过数值模拟充分理解非尖前缘三角翼前缘涡的流场结构。数值模拟得到的三角翼表面压强分布与实验结果进行了对比,研究不同因素对三角翼前缘涡的影响。通过对比分析流场结构得到:尖前缘三角翼前缘涡是从机翼前缘拖出,分离位置固定;而钝前缘三角翼由于前缘分离点不固定,前缘涡流场结构变得更加复杂。对于钝前缘三角翼,当马赫数不变时,随着雷诺数的增加,三角翼前缘涡的分离被延迟。     

多控制面对鸭翼-前掠翼布局飞行器静气动弹性的影响

针对机翼前、后缘控制面对鸭翼 前掠翼布局飞行器静气动弹性的影响,通过CFD/CSD松耦合计算方法求解三维不定常N-S方程和线弹性静力学方程,得到了前、后缘控制面单独偏转和协同偏转状态下弹性前掠翼的气动特性和弹性特性。研究结果表明：弹性机翼相比于刚性机翼有更好的升力特性和大迎角失速特性;控制面偏转方式的变化也会对气动特性和弹性特性产生影响,当控制面单独偏转时,前缘控制面下偏和后缘控制面下偏均能增大弹性机翼的升力系数,最大升力系数增量分别为2.60%和8.69%;当控制面协同偏转时,同向偏转时的升力增幅比单独偏转时更大,最大升力增量为11.96%,反向偏转的升阻比特性较好,并可在小迎角范围内降低弹性变形和扭转。     

不同前缘形状非细长三角翼等离子体流动控制的参数影响实验

为改善非细长三角翼的大迎角失速特性，探索前缘形状对流动控制效果的影响规律，基于交流介质阻挡放电(AC-DBD)等离子体激励，开展了非细长三角翼流动控制风洞实验研究。针对3个不同前缘曲率半径的三角翼模型，研究了激励参数对流动控制效果的影响规律。结果表明：小迎角状态下，尖前缘三角翼的升力系数略高于其他两种钝前缘三角翼；圆前缘三角翼的最大升力系数最高；指向上翼面的前缘激励在失速迎角之前对升力系数的控制效果最好，指向下翼面的前缘激励则在失速迎角之后效果更佳；圆前缘三角翼的控制效果最好，相同激励电压下(12 kV),激励控制对尖、圆和椭圆前缘三角翼在过失速阶段升力分别可提高3.6%、5.9%和4.2%。最优的无量纲脉冲激励频率为f⁺=1to2,最优占空比为5%,电压幅值越高，控制效果越好。分析认为AC-DBD激励控制非细长三角翼的主要机理是其对剪切层的非定常扰动，非体积力加速效应；机翼前缘处的流体动能分布影响诱导流向涡的形成，使不同前缘形状非细长三角翼的流动控制效果不同。     

等离子体流动控制的前掠翼静气弹发散主动抑制研究

针对前掠翼静气动弹性发散问题,基于等离子体流动控制与流固双向静力耦合技术,通过求解三维定常可压N-S方程与结构静力平衡方程,在亚声速条件下施加等离子体激励和不施加激励时对其进行对比仿真研究。前掠翼选用NACA0015翼型,等离子体流动控制采用唯象学模型,施加在机翼上表面前缘。研究结果表明：在前掠翼外侧上表面前缘施加等离子体激励后,激励区附近局部来流经激励受到电场力做功,总能量增加,动能与压力势能分别有不同程度的增大,外在表现为上表面局部流速加快,压力增大,升力有一定损失,下表面压力基本不变,在机翼前缘外侧靠近翼尖处产生低头力矩,可控制前掠翼弹性变形,有效抑制其气弹发散,且随着激励强度的增加,抑制作用逐渐增强。研究结果可为变前掠翼飞行器的气动弹性设计和机翼的流动控制等提供参考。     

机翼前掠过程气动中心变化规律

基于一种滑轨式变前掠翼布局飞行器,采用三维N-S控制方程的有限体积法离散格式,对不同状态下飞行器的气动中心进行数值计算,得到了变前掠翼布局飞行器气动中心的位置。在相同马赫数下,总结了变前掠翼布局飞行器气动中心随前掠角的变化规律;在相同前掠角下,总结了变前掠翼布局飞行器气动中心随马赫数的变化规律。通过机体表面压力云图以及机翼截面压力系数分布图,分析了变前掠翼布局飞行器气动载荷分布,总结了引起气动中心变化的原因。结果表明:在相同马赫数下,气动中心随前掠角的增大,先少量后移再较大前移;在相同前掠角下,随着飞行马赫数的增大,气动中心均向后移动,移动量在可接受范围内;选取合适的任务模式,可使气动中心仅在小范围移动。     

变前掠翼无人机翼身连动机构设计

针对变前掠翼无人机设计了一种翼身连动机构,使无人机能够根据任务需求,在直机翼、前掠翼、三角翼之间进行气动布局转换,从而在整个任务飞行过程都能达到性能最佳.该连动机构为一环形卡槽式结构,在连接翼梁的卡槽两端布置有4个油腔,通过电磁活门控制高压油液驱动翼梁旋转,从而完成机翼的转换.该结构使翼升力在翼根的应力集中通过环形槽两侧的作用点被分散,避免了因翼根加固所导致的结构增重.     

前掠翼与后掠翼布局流动机理的数值研究

采用三维N-S控制方程和标准k-ε模型,计算了前掠翼和后掠翼模型的气动特性,比较了各自的优势和不足,并通过流场显示分析了其流动机理。研究结果表明:小迎角下后掠翼的升力系数较高,大迎角下前掠翼的失速性能较好,其根源是展向速度的方向相反。后掠翼过早的翼尖失速是导致失速迎角较小的原因。而前掠翼之所以具有良好的大迎角性能,是由于其机翼根侧缘涡和翼尖前缘涡相互作用,对机翼产生上吸力,带来涡升力并且增强了对机翼表面流动的控制能力。前掠翼的流动机理可为先进飞机布局的设计提供理论依据。     

前掠翼模型低速气动力实验与仿真

基于一种高速前掠翼布局翼身组合体缩比模型,开展低速风洞纵向气动力实验研究,包括与相应后掠翼对比实验和细长边条前掠翼实验,实验攻角-4°～+36°,特征雷诺数4×10₅。结果表明：低速实验条件下,前掠翼升阻力特性与相应后掠翼基本相同,但前掠翼表现出良好大迎角气动性能发展趋势。翼根前加装面积仅为机翼面积5.2%的大后掠细长边条后,前掠翼升力特性明显改善,33°迎角时最大升力系数比基本前掠翼提高约40%。依据模型风洞实验实际条件,采用雷诺时均方程和FLUENT软件,进行前掠翼模型流场气动力数值仿真,仿真计算模型构建合理,能够支持分析风洞实验数据。     

不同布局无人作战飞机电磁隐身性能分析

无人作战飞机是当前研究热点之一,为研究不同气动布局无人作战飞机的隐身性能,分别建立常规布局A、无尾飞翼布局B、三角形飞翼布局C的电磁模型。采用物理光学法,计算了不同状态的RCS（Radar Cross Section）散射曲线并分析了分布特点、频率及俯仰角响应特性。结果表明,无人作战飞机的电磁散射特性取决于气动布局和结构形式,也与机翼前后缘、机身、进气道、尾喷口、垂尾等细节设计相关,布局A在前后向均有散射波峰,而采用外形隐身技术的布局B、C无明显散射波峰;频率增加时,各布局不同角域RCS均值减小,布局C前向角域最低为-34.308 7 dBsm,俯仰角变化时,受布局结构外形设计影响,算术均值呈振荡变化;布局C在前、后向角域具有最好的多频隐身性能,布局B在前向角域的不同俯仰角隐身性能较好,布局A隐身性能较差。     

新型双机身鸭式布局无人机气动特性

优化载重性能的气动布局设计是当前无人机研究重要方向,为提高物资运载能力和结构性能,基于连接翼、双机身、鸭式布局设计,提出一种新型双机身鸭式布局无人机,采用FLUENT详细研究了两种飞行速度下的升阻特性、压力云图、涡量分布等。研究结果表明,双机身鸭式布局无人机具有较高的升阻性能,速度提高时,升力系数增加而阻力系数减小,速度由30 m/s增加到60 m/s时,最大升力系数增加7.6%,升阻比增加4.8%;从表面压力云图看,升力主要贡献为前机翼、鸭翼和后机翼,失速迎角前后,后机翼未受前机翼和鸭翼气流干扰,提高了无人机的失速特性;巡航迎角状态的涡量较弱,仅在翼梢及部件连接处出现,失速迎角前后,翼梢、部件连接处涡系增强,且产生了干扰,机翼表面趋于分离。     

Aerodynamic configuration optimization by the integration of aerodynamics,aerothermodynamics and trajectory for hypersonic vehicles

The problem of aerodynamic configuration design optimization is a multidisciplinary design optimization （MDO） problem, and recently the MDO method is widely adopted in the field of hypersonic vehicle configuration design. From the aerodynamic point of view, the aerodynamics, aerothermodynamics and trajectory are considered in this paper. Generally speaking, the aerodynamic characteristics, aerodynamic heating and trajectory are determined by the aerodynamic configuration and the design of flight trajectory. The design method considering these three disciplines is proposed. The parametric geometrical configurations are proposed, and the aerodynamic characteristics are predicted by the rapid and effective engineering method. The optimization of aerodynamic configuration considering the integration of aerodynamics, aerothermodynamics and trajectory is investigated based on the parametric geometrical configuration. Maximum lift-to-drag ratio, maximum range of the trajectory and minimum total heat load of the stagnation point are chosen as the three optimal goals. The detailed research indicates that the optimal configurations and trajectories with different weighting factors can be obtained by the optimization, and there are obvious differences between them. The optimal configuration and flight trajectory obtained by the optimization can be used as the feasible schemes in the future work.     

外形参数对矩形截面弹体气动和隐身特性的影响

用流体动力学(CFD)数值模拟方法和图形算法(GRECO),对机载布撒器绕流场进行了数值模拟和雷达散射截面(RCS)的计算,得到气动特性数值计算结果与风洞试验结果,RCS计算结果与外场测量结果均十分吻合.在此基础上研究了矩形截面宽高比和圆角半径比对弹体气动特性和隐身特性的影响.计算结果表明,建立外形参数与气动和隐身特性关系数据库、发展基于数据库的气动特性和隐身特性的工程计算方法,是进行布撒器等非常规外形和特种部件气动设计和RCS设计的有效途径.     

具有流线型头部的高速磁浮列车气动性能数值模拟

以世界上首条商业运行的上海高速磁浮列车TR08为研究对象,基于粘性流体力学理论,按三维可压缩粘性流对具有流线型头部形状的TR08列车以及根据一定规律设计出的4种新头型列车周围流场进行了数值模拟.通过对这5种不同头型列车的模拟结果进行对比分析,得出了流线型头部外形对气动性能影响的规律:随着流线型头部长度增加(其他条件相同),列车气动阻力和升力降低;在头部流线型长度相当的情况下,纵剖面轮廓线上凸的头车气动阻力比下凹的小,而尾车气动阻力大;中间车阻力变化不大,尾车升力大于头车;就整车升力而言,纵剖面轮廓线上凸的气动升力大于下凹的.     

锯齿化进气道口面电磁散射影响分析

为研究锯齿化对电磁散射的影响,以两种飞翼布局为基础,建立了直线型、锯齿化进气道口面飞行器模型;采用物理光学法,数值计算了各模型在不同状态下RCS曲线,研究了锯齿化的散射分布影响及RCS减缩值的俯仰角、频率响应特性。结果表明：锯齿化进气道口面可有效降低头向、后向散射波峰,并影响其他角域波峰分布情况;俯仰角增大时,锯齿化RCS减缩值呈震荡递减趋势,不同布局不同角域上表现各异,幅值影响为10~30 dB;频率增加时,锯齿化RCS减缩值呈震荡变化,幅值影响为5~25 dB之间;锯齿化对不同布局的电磁散射影响不同,其中布局A头向30°角域的隐身性能提高最为明显,减缩值为20~30 dB。     

基于改进多目标粒子群算法的风力机大厚度翼型优化设计

仅以气动性能最佳为目标进行优化设计的翼型,结构性能较差.为了克服这一缺点,基于改进的多目标粒子群算法(MOPSO),提出了综合考虑气动性能和结构性能的大厚度翼型多目标优化设计方法.针对相对厚度为40%的翼型,应用翼型集成理论对翼型进行参数化表达,以翼型主要攻角处的升阻比最大和翼型面对弦线轴的惯性矩最大为设计目标,综合考虑翼型的粗糙度敏感性、失速特性及非设计工况特性,进行翼型的多目标优化设计,得到了Pareto最优解集.分析最优解集中的翼型,由此挑选出的新翼型在气动性能和结构性能上均比常用翼型DU00-W2-401有较大提高.