新型排翼式浮升一体化飞艇的布局设计和气动研究

以传统的NACA系列翼型为基准,设计一类实用高效的新型排翼式浮升一体化飞艇.通过数值计算,对浮升一体化飞艇的气动问题和布局设计展开系统的研究,综合分析和评估各气动布局形式的浮升特性.研究结果表明:排翼式浮升一体化飞艇不仅具有接近常规飞艇的体积效率,而且利用后翼对前翼下表面气流形成的阻滞和排翼重叠区域之间的气流加速作用,其总体升阻比较单排翼增大50%以上,当速度大于30 m·s^-1之后可以使飞艇的自重降低,有效载荷提高;同时,排翼式飞艇的弦向尺寸较小,可有效降低材料的表面张力,为高空飞艇表面柔性材料提供了较宽的选择范围.     

高超声速飞行器宽速域翼型多目标优化设计研究

高超声速飞行器正向着速域更宽、空域更广、航程更远的方向发展.因而对于现代高超声速飞行器的设计而言，除了保证高超声速的性能外，还必须兼顾满足工程需求的亚声速、跨声速、超声速特性.文章对薄翼型在不同速域下的流动机理进行分析，总结了不同速域下翼型增升减阻的设计准则，然后采用RANS方程流动求解器，结合基于Kriging模型的代理优化算法，开展了高超声速飞行器宽速域翼型的优化设计研究.首先，以NACA64A-204翼型为基准翼型，采用线性加权法进行了考虑亚、跨和高超声速气动特性的多轮次宽速域翼型优化设计研究，得到了一种宽速域性能得到改善的新翼型.然后，以优化得到的新翼型为原始翼型，开展多目标优化设计，获得了宽速域翼型两目标和三目标的Pareto最优化解集.      

基于N-S方程的支撑机翼高亚声速气动外型设计

相对常规悬臂梁布局飞机，支撑机翼飞机允许有更大的展弦比、更薄的机翼及较小的后掠角，从而可以减小诱导阻力、波阻，并增加层流范围，是未来飞机的一个可供选择方案.文章基于N-S方程对高亚声速支撑机翼构型进行了气动外型设计，在巡航Mach数为0.7，设计升力系数为0.6的条件下，支撑机翼构型相对无支撑构型升阻比仅减小6.3%，而初始无支撑翼身组合体构型相较常规悬臂梁翼身组合体构型最大升阻比提高了约35%，设计结果表明支撑机翼构型是可明显提高飞行性能的未来高亚声速飞机的一种新型外型.文章也对支撑外型、位置参数及机翼内翼下翼面外型修型对支撑机翼构型的干扰影响进行了研究，研究结果表明:支撑上翼面外型、支撑弦长、相对厚度、展向位置、扭转角分布及机翼下翼面外型对支撑机翼构型气动影响较大.      

电动水上飞机低噪声螺旋桨翼型优化

为降低翼型的气动噪声,以某型电动水上飞机螺旋桨所使用的RAF-6翼型为研究对象,首先通过CFD/FW-H方法计算得到翼型的升、阻力系数以及气动噪声;其次使用型函数线性叠加描述翼型的几何形状;进而,为使翼型获得设计状态下较好的声学与气动性能,由翼型的气动噪声与升阻比构成优化目标,以型函数系数为变量,以保证翼型升、阻力系数变化不超过10%为约束,使用引入响应面模型的遗传算法对翼型进行降噪优化。通过优化翼型与基准翼型的对比可知,设计状态的优化翼型气动噪声声压级降低了2.17 dB,升阻比提高1.12%,且优化翼型在小攻角状态下具有较为优异的声学与气动性能。优化结果表明,该优化方法具有一定应用价值,可为螺旋桨噪声控制研究提供参考。     

风力机专用翼型表面微沟槽减阻特性研究

采用高升阻比翼型是提高风力机的风能利用率的重要途径,表面微结构在平板及飞行器上具有较好的减阻应用,在风力机翼型上的减阻研究相对较少。本文以弦长为600 mm的Ris?-A1-21风力机专用翼型为研究对象,在吸力面0.53弦长处布置6种不同的横向V型沟槽,基于ANSYS Fluent商用CFD软件,采用结构化网格和Transition SST紊流模型对不同的表面微结构进行数值计算,结果表明V型沟槽总长为4～7.5 mm,无量纲高度h~+和宽度s~+为10～18.5时,可以获得较好的减阻增升效果,在此范围内沟槽数量对翼型的减阻增升的变化规律影响很小,最大升阻比增率可达22.903%。当沟槽总长达到10 mm时,翼型的增升率减小,但其减阻率和升阻比增率优于沟槽长度小的方案。沟槽改变了翼型吸力面的压力分布,通过有/无沟槽的法向速度分析表明,微沟槽使得翼型表面边界层厚度减薄,表面速度梯度增大,从而使翼型的黏性阻力增加,因此V型沟槽的减阻效果主要由压差阻力的减小所引起的。     

凹槽对风力机叶片尾缘襟翼性能的影响

本文采用单方程S—A湍流模型计算了尾缘襟翼与主体翼型连接处的凹槽对二维翼型气动特性及流场的影响。选用带有30％弦长固定偏斜20°角度尾缘襟翼的NACA0015翼型作为研究对象,分析了流场的相关特性。数值计算结果表明：凹槽对于带有尾缘襟翼的二维翼型气动特性有一定影响,在负攻角及较小正攻角时,减小翼型升力系数;随着攻角增大...     

风力机专用翼型的反设计

本文根据翼型表面压力分布对边界层的影响,分析翼型表面压力分布的特点,以XFOIL计算软件为设计平台,采用其中的混合反设计模块,通过合理改变翼型表面的速度分布来得到气动特性满意的翼型。所设计的翼型主要要求具有高的设计升力系数、高的最大升阻比、良好的前缘粗糙不敏感性及和缓的失速特性。在提高设计升力系数的同时限制最大升力系数,以减小两者的差值,减小叶片的极限载荷。经计算分析,采用反设计优化得到的翼型与DU翼型相比具有很好气动特性。     

前缘旋转的风力机翼型气动性能研究

本文通过数值计算,研究了一种前缘为可转动圆柱的二维S809翼型的气动性能.研究表明,通过驱动前缘圆柱旋转,可有效抑制翼型吸力面的流动分离,使得翼型在较大攻角下具有良好的气动性能,提高了翼型的最大升力系数与升阻比.该流动控制方法具有简单有效、花费代价小等优点.     

组合式高超声速飞行器布局设计与优化分析

针对高超声速飞行器气动布局设计难点,文章提出了基于多个基准流场的多部件组合设计方法.以锥导乘波体为基准,采用分段接序、多片组合的高超声速可调参数的气动布局设计,将飞行器分解为前体、机翼和中心体设计.前体和机翼以乘波体为设计思路,中心体构型根据装载需求设计,从而达到飞行器在边缘能够满足压力封闭,有效容积集中在中心体附近的总体布局思路,使得飞行器各部件功能清晰化.最终实现具有"乘波特性"的高超声速巡航飞行器参数可调的布局设计.文中对比了组合布局与传统乘波体的差异,在前体不变的情况下,研究了中心体长度、长宽比和长厚比对飞行器气动性能的影响.采用自由变形技术（free-form deformation,FFD）实现了高超声速飞行器的参数化和优化设计流程.结果表明组合布局具有更高的容积效率,可实现多参数化调节,具有良好的乘波特性,可为未来提高高超声速飞行器升阻比和满足应用要求提供方案参考.      

扩压叶栅中Gurney襟翼气动作用的实验研究

以NACA65-12(10)叶型为基础,在稠度1.0的平面叶栅上,实验测量了两种高度Gurney襟翼在不同攻角下气动特性。设计工况下,襟翼高度为1%弦长时,升阻比平均提高上升10%;襟翼高度为3%弦长时,升阻比增加16.6%。与原始叶型的叶栅气动特性对比结果表明,随着襟翼高度的增加,叶栅升力先于阻力增加,升阻比先提高后降低,适当的襟翼具有提升叶栅升阻比的作用。     

应用自适应遗传算法的气动优化设计

对简单遗传算法(SGA)加以改进,形成了气动优化设计中的自适应遗传算法(SAGA)。采用实数编码来表示种群中的个体,不需要进行二进制的编码和解码操作,并针对具体问题设计了杂交和变异算子,提高了优化设计的质量和效率。最后分别以翼型和机翼为例,应用自适应遗传算法对跨音速翼型和机翼的升阻比进行优化设计。     

升力系数不变时跨音速机翼阻力优化设计

基于共轭方程的优化设计理论,应用三维欧拉方程进行了升力系数不变时跨音速机翼阻力优化设计研究,根据给定的目标函数推导了在物理空间上表述的共轭方程及边界条件,研究了共轭方程的数值求解方法及目标函数对设计变量的敏感性导数求解问题,发展了一种跨音速机翼阻力优化设计方法,应用该设计方法进行了跨音速机翼阻力优化设计研究,优化后机翼表面的激波强度减弱很多,有效减少了波阻.     

Shape reconstructions and morphing kinematics of an eagle during perching manoeuvres

The key to high manoeuvre ability in bird flight lies in the combined morphing of wings and tail.The perching of a wild Haliaeetus Albicilla without running or wing flapping is recorded and investigated using a high-speed digital video.A shape reconstruction method is proposed to describe wing contours and tail contours during perching.The avian airfoil geometries of the Aquila Chrysaetos are extracted from noncontact surface measurements using a ROMBER 3 D laser scanner.The wing planform,chord distribution and twist distribution are fitted in convenient analytical expressions to obtain a 3 D wing geometry.A three-jointed arm model is proposed to associate with the 3 D wing geometry,while a one-joint arm model is proposed to describe the kinematics of tail.Therefore,a 3 D bird model is established.The perching sequences of the wild eagle are recaptured and regenerated with the proposed 3 D bird model.A quasi-steady aerodynamic model is applied in the aerodynamic predictions,a four-step Adams-Bashforth method is used to calculate the ordinary differential equations,thus a BFGS based optimization method is established to predict the perching motions.     

Fluid-structure interactions with both structural and fluid nonlinearities

In this study, we consider a class of nonlinear aeroelastic stability problems, where geometric nonlinearities arising from large deflections and rotations in the structure interact with aerodynamic nonlinearities caused by moving shocks. Examples include transonic panel flutter and flutter of transonic wings of high aspect ratio, where the presence of both structural and aerodynamic nonlinearities can have a dramatic qualitative as well as quantitative effect on the flutter behavior. Both cases represent inherently nonlinear fluid-structure problems, where neglecting either the structural or the fluid nonlinearities can lead to completely erroneous stability predictions. The results presented in this paper illustrate the rich and in some cases surprising flutter behaviors of transonic wings, and the inherent limitations of the von Kármán nonlinear plate model in strongly nonlinear fluid-structure interaction problems of this type.     

基于分解策略的飞行器气动隐身优化设计研究

为了综合提高飞行器的气动性能与隐身性能,文章利用基于分解策略的梯度优化方法,对某跨声速机翼进行气动隐身综合优化设计.采用Tchebycheff方法,将气动隐身多学科多目标优化问题分解为多个单目标优化子问题,再对每个单目标子问题进行梯度优化.通过求解离散伴随方程获得气动目标对设计变量的梯度,采用自动微分方法对物理光学法（physical optics,PO）程序进行微分,即可得到雷达散射截面（radar cross section,RCS）对设计变量的梯度.经过综合优化,获得优化解集中各给定权重系数对应下的分支解,相比初始机翼,优化机翼的阻力系数减小,升阻比提高,重点方位的雷达散射截面均值减小,验证了该优化设计方法具有较好的实用性.      

弹性载机对外挂物动力学响应的影响

在外挂物投放过程中, 载机对外挂物具有气动干扰效应, 产生附加气动力.对于弹性机翼, 在外挂物分离投放时, 相当于给机翼一个初始扰动, 机翼将发生弹性振动, 该振动也会对外挂物带来气动干扰效应.通过耦合求解非定常N-S方程刚体六自由度方程和基于模态法的结构动力学方程, 对考虑弹性变形的载机外挂物分离投放过程进行模拟, 研究了弹性机翼对外挂物的气动干扰效应.研究结果表明:在外挂物分离初期, 弹性机翼的干扰对外挂物气动力响应产生显著影响, 机翼的主要结构模态频率决定了外挂物气动力的变化频率, 并且由载机机翼动弹性变形引起的干扰气动力能占到外挂物总气动力的一半左右.      

三维机翼跨音速颤振的分布式并行计算

以多台微机组成分布式计算系统,利用无限插值方法(TFI)生成三维多块贴体运动网格,以Navier Stokes方程为控制方程,求解三维机翼的跨音速非定常气动力,并与颤振方程耦合迭代计算,求解机翼广义位移响应的时间历程,根据广义位移的时间历程的衰减、等幅和发散振荡等情况确定机翼跨音速颤振临界条件.通过算例验证,计算结果与实验结果和理论分析相吻合.     

弹性拍翼悬停时的流固耦合效应

自然界中的昆虫和鸟类大都采用拍翼飞行的策略，其优越的气动表现使拍动飞行方式备受关注.值得注意的是，拍动飞行昆虫和鸟类在实现高机动性的同时，产生的噪音并不十分显著.因此，对拍翼飞行的流固声耦合问题进行研究，揭示其飞行动力学和声学特性，对于应用这类飞行技术具有重要的指导意义.文章采用一种浸入边界法对拍翼悬停时的流固声耦合问题进行数值模拟研究.具体针对刚性拍翼和不同刚度、质量比的柔性拍翼进行了数值模拟，分析了拍翼刚度和质量比对拍翼悬停时的升力和声学特性的影响.结果表明拍翼的转动能有效增加升力，提高效率并降低拍翼运动产生的声音；同时悬停拍翼的近场声受涡的影响明显，尤其是在较大的转动角度时；引入适当的弹性可有效提高拍翼在悬停时的气动表现，包括提高升力系数和效率；综合考虑气动和声学表现，可以看出当无量纲拍动频率在0.3~0.4时，低质量的拍翼（拍翼-流体质量比为1.0）产生的声音较小，同时又具备较高的效率.