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。     

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。     

对变前掠翼布局隐身特性的数值分析

针对变前掠翼布局设计,给出在鸭翼与机头连接处略有不同的2种方案。气动计算表明：在对变前掠翼布局的作战使用中将三角翼用以突防是合理的,且鸭翼与机头融为一体的尖前缘设计方案更优。对2种方案三角翼布局的双站雷达散射特性计算表明：在大部分方位角内其雷达散射截面都处于0 dBm以下,且波峰波瓣很窄,不易被雷达发现和连续跟踪。相比较而言,尖前缘的设计方案其隐身特性仍然较优。因而在对变前掠翼布局设计时,宜采用将鸭翼前缘与机头前缘融为一体的设计方案。     

控制面偏转方式对前掠翼静气弹特性的影响

针对不同控制面偏转方式对弹性前掠翼静气弹特性的影响,基于计算流体力学/计算结构力学（CFD/CSD）松耦合静气动弹性数值计算方法,计算和分析了不同迎角、动压及马赫数条件下前、后缘控制面联合偏转对前掠翼模型的气动特性和弹性变形特性的影响。计算结果表明：控制面偏转对前掠翼飞机静气动弹性特性影响较大;当迎角变化,同向偏转方式的气动特性和弹性变形特性较好,α=4°时,弹性机翼的升阻特性较好;当动压变化时,反向偏转方式的气动特性和弹性特性占优,最大升阻比较同向偏转提高约7%,反向偏转方式气动特性较好,最大升阻比较同向偏转提高约7%;当马赫数变化时,弹性机翼条件下3种模型分别在Ma=0.7时升力系数达到最大值。计算结果可以为前掠翼飞机的实际应用提供参考。     

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.     

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。     

小展弦比三角翼非线性气动计算

本文采用非线性涡格法,计算定常不可压缩无粘流中锐前缘小展弦比三角平板翼的自由涡迹和气动特性。为了加快涡迹收敛,采用变松弛因子调整自由涡线的方向、在迭代中不断改变松弛顺序等方法。在4.03°～20.50°的攻角范围内机翼法向力系数和压力中心位置的计算结果与实验值符合较好;本文采用的计算方法较之其他计算方法大大减少了计算量,可作为工程上计算前缘分离机翼气动特性的一种可行方法。     

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。     

可变展长机翼非定常气动特性数值研究

为探索可变展长机翼变形过程中的非定常气动特性及其机理,以ONERA M6机翼为模型,利用动网格技术对其进行了非定常气动特性研究.研究表明:在机翼连续变展长过程中,非定常气动特性曲线以滞回环的形式围绕着相应的准定常曲线;变形周期、攻角和来流马赫数对滞回环有一定影响,但与准定常气动特性相比,单纯的展长变化引起的非定常气动效应并不明显;在一定的计算条件下,非定常升力系数偏离其相应的准定常升力系数的最大值不足2%;可变展长机翼非定常气动特性产生的主要原因在于流场结构迟滞.同时,由于流场结构迟滞效应比较微弱,可变展长机翼的非定常气动特性不显著.      

后掠翼结冰数值模拟及实验研究

为研究带后掠角机翼的结冰数值模拟方法,通过建立三维结冰初始水膜模型以及结冰增长模型,对带后掠角的机翼进行结冰数值仿真。为验证模型的准确性,使用FENSAP-ICE软件进行同工况数值仿真,并且设计加工了30°后掠角的NACA0012翼型进行结冰风洞实验。结果表明：本模型能够对后掠翼的明冰工况进行仿真,仿真冰型与FENSAP-ICE冰型轮廓大致相同;本文计算的冰型与实验结果吻合较好,在冰角处的形状有差异但冰生长的总体趋势和大致结冰量与实验一致,沿展向不同截面冰型增长趋势也与实验大致一致。可见本文的后掠翼结冰数值模拟方法能够进行后掠翼结冰外形的计算。     

翼尖涡多阶段演化过程及其对气动力的影响

针对高雷诺数和中等马赫数下翼尖涡的近场演化问题,以NACA0012机翼为对象,采用大涡模拟方法,研究了三组不同的马赫数(0.3、0.45、0.6)和雷诺数(5×10~5、1×10~6、2×10~6)下翼尖涡中主涡和次级涡的演化特性以及其对机翼气动力的影响。研究发现,根据主涡和次级涡特性可将翼尖涡近场演化过程分为三阶段:在第一阶段中二者独立生长,主涡涡核处涡量先增后减,次级涡涡核处涡量和流向速度显著变化;在第二阶段中次级涡运动至机翼上表面与主涡相互作用融合,二者涡核处涡量变化分别趋于平缓并最终相同;在第三阶段中主涡与次级涡融合后的共转涡和新生成的二次融合涡离开机翼进入尾迹。马赫数影响主涡和次级涡涡核处流向涡量及"扭结"现象,但不影响主涡和次级涡涡核处流向速度和融合位置;雷诺数影响主涡和次级涡涡核处流向涡量、主涡涡核处无量纲流向速度以及"扭结"现象,但不影响次级涡涡核处流向速度和融合位置。在整个翼尖涡近场演化过程中,与第一阶段相比,第二阶段通过显著改变机翼上表面压力分布,诱导出强烈的下洗现象,主导影响着机翼的气动力,此外翼尖涡能抑制翼尖附近上表面流动分离,在一定程度上减轻其对气动力的不利影响。     

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。     

前掠翼根部流动分离控制措施研究

研究前掠翼根部流动分离控制问题,提出了两种改善翼根气流分离的流动控制方法.CFD研究表明,通过加近距耦合鸭翼或大后掠边条,能够明显改善前掠翼根部流动分离状况,提高前掠翼的大迎角气动性能.     

Ma数对后掠机翼流动非线性失稳的影响

横流非线性失稳是导致后掠机翼流动湍流转捩的主要因素,而目前大部分的研究都集中在不可压缩流动.首先,本文采用非线性抛物化扰动理论分析了来流Ma=0.1,0.7,1.5,2.0条件下,后掠机翼流动的非线性失稳过程.计算结果表明来流Ma数激励了横流涡的发展,增加了饱和横流涡的流向涡量,并且来流Ma数增加,使得饱和横流涡趋近壁面.其次,通过对饱和横流涡二次失稳的分析,本文计算结果表明来流Ma数增强了饱和横流涡的二次失稳,并且在亚声速来流条件下,二次失稳"z"模态占优,而在超音速来流条件下,二次失稳"y","z"模态同时占优.     

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。     

后掠机翼跨音速静气动弹性特性研究

后掠机翼在飞行过程中受气动载荷影响,其机翼将产生弯曲和扭转变形,这种弹性变形严重影响飞机性能和飞行安全,不能将此种机翼当作传统的刚性机翼加以弹性修正的方法进行分析。针对这种弹性后掠机翼,应用发展的非结构动网格生成方法,以Euler方程为控制方程,耦合结构静平衡方程,采用结构影响系数法,对中等展弦比、大展弦比后掠机翼的气动力载荷和结构变形进行了求解,并对结果进行了分析。     

蜻蜓滑翔时三维串列柔性双翼气动效能分析

为进一步揭示蜻蜓翼在被动的柔性变形和串列双翼柔性干涉作用下对气流的影响机制,本文基于STAR-CCM+软件,采用流固耦合方法对Navier-Stokes方程进行数值求解。研究了杨氏模量为3 800 MPa、泊松比为0.25时,蜻蜓柔性复翼的变形及其气动特性响应规律。研究表明：蜻蜓翼保持正向高置差气动布局均会带来相似且有益的影响。迎角5°时,1.2 mm的高置布局相比低置气动布局的升力系数提升了5.2%,当迎角增大到25°时,差值达到19%。双翼干涉效应下,前翼的气动特性会得到明显的提升,后翼虽会损失一定的气动力,但总体而言,动态干涉是有益的。从双翼气流分离下诱导的后缘涡强度来看,后翼的涡要明显强于前翼。9 m/s以后,蜻蜓滑翔时由前翼承担主要载荷的方式缓慢过渡到后翼,而且后翼翼梢处受载较明显,其最大变形达到16 mm;扭转变形方面：速度一定时,随着滑翔时失速迎角增大,后翼的动态弯扭变形明显强于前翼,验证了蜻蜓翼大迎角下利用后翼机动滑翔的观点。