低阻常规布局客机巡航阻力特性研究

对常规布局客机与机翼相关的减阻措施进行研究,通过减阻改善飞机性能。主要通过有层流流动机翼减小摩阻和弱激波机翼减小波阻,在机翼表面前缘维持一段层流区以减小摩阻,机翼剖面压力分布由中部顺压梯度区域向后缘逆压梯度区域和缓过渡形成弱激波减小激波阻力;机翼机身结合处加机身腹部整流增加结合处流速,减弱机翼机身结合处的附面层堆积,改善阻力性能;融合式翼梢小翼降低翼尖诱导阻力,研究小翼外形参数对降低诱导阻力、纵向力矩、偏航力矩的影响,得出降低翼尖诱导阻力效果好、力矩合适的翼梢小翼模型。由于翼身整流对机翼内翼段下表面的压力分布有显著影响,翼梢小翼会对翼尖的流动有重要影响,因此进行单方面的减阻是不可取的,需对与机翼相关的3种减阻措施进行一体化减阻设计研究,并对相应的减阻量进行评估,为常规布局类客机的减阻设计提供参考。通过对上述减阻措施的评估分析达到了减小阻力、提高常规布局客机巡航因子,改善飞机巡航性能的效果。     

基于合成射流风力机翼型气动特性的数值模拟

在翼型上引入射流,以较小流动干扰对翼型表面绕流进行主动流动控制,从而达到延迟失速、抑制分离、增升减阻的目的.通过数值模拟方法,分析了合成射流中的参数射流偏角、动量系数和无量纲频率对翼型气动特性的影响.结果表明,合理地选择射流参数可以达到抑制翼型流动分离、实现增升减阻的目的,得出了相关参数与翼型特性之间的关系曲线,为下一步射流器的选择与控制提供了一些有意义的帮助.     

MEMS技术在流动分离主动控制中的应用

文章面向飞行器翼型绕流的控制,设计开发了气泡型和合成射流等2类采用MEMS技术制造的微型致动器,并对其性能进行了测试。结合三角翼及二元超临界翼型,通过风洞实验考察了MEMS微型致动器在翼型流动分离主动控制的应用效果。结果表明,微致动器能够有效控制边界层流动状态,改变翼型绕流的宏观流场,实现增升减阻以及产生辅助力矩等控制目标。     

双向飞翼超声速客机激波阻力和声爆研究

基于超声速双向飞翼构型,采用CFD方法进行阻力计算,采用F-BOOM程序进行声爆计算,研究翼型、平面形状和EFCE激波阻力优化算法对双向飞翼激波阻力和声爆的影响。计算结果表明,平底构型可以明显降低双向飞翼超声速客机的超声速巡航的声爆,却很大程度上增加了巡航阻力,而对称构型却恰好相反;细长的平面几何形状对降低双向飞翼激波阻力和声爆都有作用,尤其对降低对称构型的声爆效果明显;EFCE激波阻力优化算法对降低双向飞翼激波阻力有明显作用,但同时会带来声爆方面的不利影响。因此,超声速客机的减阻设计和低声爆设计需要进行权衡研究。     

等离子体脉冲激励控制流动分离的数值研究

采用唯象学方法,将介质阻挡放电产生的等离子体对流体的宏观作用等效为体积力。通过求解带源项的Navier-Stokes方程,研究了激励器数量、激励强度、脉冲频率和占空比对超临界翼型sc（2）-0714流动分离控制效果的影响。仿真结果表明：脉冲激励能有效控制流动分离,激励强度增大,控制效果增强;在翼型前缘流动分离点前面布置几组激励器,可有效抑制翼型失速;脉冲频率使得斯特劳哈尔数为1时,控制效果最好;激励占空比为0.6时,仍能有效抑制翼型失速,同时大大降低了激励器所消耗的功率。     

下表面射流对翼型气动性能影响的数值模拟

为探索增强小迎角下翼型气动性能的射流控制方法,进而实现无舵飞行控制,在环量控制的启发下,提出在NACA0012翼型下表面靠近后缘的位置布置射流(Jet on the lower surface of trailing edge, LSTE jet),并通过分析流动状态与参数变化优化LSTE射流的气动控制效果.首先,采用3套不同规模的网格对NACA0012翼型本身进行数值模拟,验证了数值模拟方法的收敛性与有效性.其次,通过比较流场的马赫数分布、流线和压力分布的变化,研究了LSTE射流影响翼型气动性能的机理.最后,研究了翼型的气动系数随射流的位置、动量系数和前向夹角的变化规律.结果表明:LSTE射流在后缘诱导产生逆时针的涡,形成低压分离区,使后缘主流向下偏折,增加了翼型的有效弯度,并且前缘的吸力峰也因此增加,从而增大了升力系数;LSTE射流越靠近后缘,动量系数越大,增升减阻效果越好,但翼型的失速迎角会减小1°～3°;在不同的迎角和射流动量系数下,翼型的最大升力和最小阻力可以同时在γ=60°～70°之间达到.利用LSTE射流可以有效改变小迎角下翼型的气动性能,对实现飞行器无舵操纵有一定意义.     

结构参数对仿生翅片翼气动性能影响

为提高翼型气动性能,提出一种仿生翅片翼型.以NACA0018为例,在翼型吸力面布置固定仿生翅片翼,分析翅片翼的相对位置、相对长度结构参数及两者综合效应对仿生翅片翼改变翼型气动特性的能力的影响,并从流场角度分析仿生翅片翼的作用机理.数值计算结果表明:以翅片翼的最佳控制效果作为衡量标准,靠近前缘处翅片翼对大分离流动效果显著,靠近尾缘的翅片翼对于中度的流动分离效果较好;相对长度与翅片翼气动性能呈非线性关系,且长度过短时无法对分离层产生有效分割,过长时影响分离层上方的流体.当翅片翼末端刚好接触分离层的边缘时,控制效果最佳;仿生翅片翼的气动性能是由翅片翼的相对位置、相对长度共同决定的,单变量的研究难以准确地解释其中的规律.     

基于长耳鸮翼前缘的仿生耦合翼型气动性能

基于对流体介质中典型动物长耳鸮减阻降噪耦合功能的研究,揭示了其快速无声捕食主要取决于其高升力翼羽独有的序贯排列方式;应用逆向重构技术,量化了长耳鸮翅膀翼羽前缘形态特征几何信息,并建立仿生耦合模型,其展向前缘形态可以用波长与振幅(波峰、波谷)来限定。应用基于有限体积法和压力修正的SIMPLEC算法,对仿生耦合翼型模型的气动特性进行了数值模拟。结果表明,在深度失速条件下,仿生耦合翼型结构在一定的波长和振幅范围内能够显著改善翼型的气动性能,升力增幅高达19.8%。失速攻角延迟30.3%。与波长相比,调节振幅能更好改善翼型深度失速条件下的气动性能。     

合成射流物理参数对控制翼型流动分离的影响

应用计算流体力学(CFD)技术数值模拟了合成射流对NACA0015翼型流动控制的影响.合成射流施加的位置分别距离翼型前缘12%c、30%c和70%c（c为翼型的弦长）,研究分析在不同位置施加合成射流,控制流动分离的效果随攻角和射流偏角的变化趋势,对组合射流的位置、相位角和动量系数进行研究.以二维不可压非定常Reynolds-averaged Navier-Stokes（RANS）方程模拟非定常分离流动,采用SST湍流模型,压力修正采用压力隐式算子分裂（PISO）算法,时间积分采用隐式处理方法,空间离散采用二阶迎风格式.通过对数值模拟结果的分析表明：1）12%c、30%c和70%c等对应的射流情形,采用切向射流均优于法向射流的控制效果; 2）对于组合射流和单一射流,射流位置应靠近分离点或在分离点之前,才能达到流动控制的目的,射流位置越靠近分离点流动控制效果越佳;3）组合射流选择合适的相位角,可以增强流动控制的效果.     

圆管内高聚物湍流减阻流动特性研究

高聚物湍流减阻可降低传输过程中的流动阻力和能耗,研究其减阻特性具有工程应用价值。文章采用等效黏度模型和湍流模型,利用计算流体力学方法建立三维模型,结合减阻参数,模拟了流动速度和高聚物浓度等影响高聚物减阻的主要因素,分析了管道内湍流减阻的流动特性及减阻规律。结果表明：圆管管道内高聚物湍流减阻率随减阻参数的增大而增大,其最大减阻率约在50%处,而后减阻效果降低,且管道内流速越大,减阻效果越好;管道中雷诺应力分量、湍动能、涡黏系数、湍流涡耗散随减阻参数的增加逐渐降低,当减阻参数为28时,高聚物湍流减阻效果最好。     

应用离散型协同射流的翼型增升减阻研究

连续型和离散型协同射流是一种新型的翼型近壁面流动控制技术,相比之下,离散型能够更为高效地对流动进行控制。为探究离散型协同射流能耗更低、效率更高的原因,通过数值模拟方法重点研究了施加离散型协同射流的翼型流动控制效应与规律。计算结果表明在相同喷口动量系数下,与连续型相比,离散型最大升力系数提高9.2%,阻力极大减小;消耗相同功率时,离散型减阻效果明显高于连续型,零度迎角时阻力约小35%,翼型升阻特性提升更加显著。对流场的详细分析表明,离散型协同射流同时在流向和展向产生相干涡结构,使高速度的射流与主流以及边界层充分混合,因此离散型协同射流具有更好的翼型增升减阻效果和更高的能量利用率。     

太阳能无人机低雷诺数翼型气动特性研究

以高空低速太阳能无人机翼型研究为背景,对大弯度高升力翼型在一定雷诺数范围内的流动特性进行了研究。采用求解k-kl-w湍流模型的雷诺平均N-S方程有限体积法,对SD7037翼型进行了数值模拟,在排除网格效应影响的基础上,针对较大范围内的低雷诺数复杂流动问题,验证了该湍流模型的适用性与准确性;针对翼型受力特性,分析了气动力随雷诺数变化的趋势;基于典型雷诺数下翼型绕流结构变化,研究了翼型产生高升力的流动特征;通过进一步研究升力非线性特征,揭示了较大迎角下翼型失速特征的流动机理。     

基于转捩模型的低雷诺数翼型优化设计研究

以微小型无人机翼型研究为背景,开展了低雷诺数翼型的气动特性及优化设计研究。首先采用求解雷诺平均N-S方程的有限体积法,对典型低雷诺数下NACA0012翼型标模进行数值模拟,对比分析了SA、SST k-ω湍流模型、低雷诺数修正SST k-ω模型以及k-kL-ω转捩模型的适用性和准确性。然后通过对低雷诺数下NACA0012翼型表面流场结构和流动特征的详细分析,提出了基于控制流动转捩位置改善翼型上边界层形态的低雷诺数翼型设计思想。最终基于转捩模型对SD7037翼型进行了多目标优化设计,设计结果表明优化后翼型气动性能得到了较大改善,最大升阻比可以提高约58.23%,在0°迎角下翼型上表面层流区域面积增大约26.8%,在4°迎角下翼型上表面流动转捩位置前移约0.15倍弦长,下游流动亦由优化前完全分离状态改变为实现流动再附,进一步验证了低雷诺数翼型设计思路的可靠性与可行性。     

带鼓包的背负式大S弯进气道流场特性及参数影响规律

背负式进气口结合大S弯内管道的进气系统设计方案,由于其良好的隐身特性,在各类作战飞机上得到了广泛应用。利用自主开发的大规模并行流场解算器,对某带鼓包的背负式大S弯进气道流场特性及参数影响规律进行了一体化数值模拟研究。首先介绍了采用的数值模拟方法,通过大S弯进气道模型,验证了程序对进气道内分离流动预测的可靠性;在此基础上,对带鼓包背负式大S弯进气道在超声速来流情况下入口激波分布、进气道内部流动情况以及出口流场的气流品质进行了分析,对比分析了不同鼓包高度和唇缘后掠角对进气道性能的影响,结果显示:进气道内独特的S弯设计,会导致流动分离和二次流,造成总压损失;不同外部几何参数对进气道性能影响很大,在一定范围内,适当降低鼓包高度或减小唇缘后掠角,有利于进气道性能改善。     

超临界翼型的跨声速颤振特性研究

采用Navier-Stokes方程和二元弯-扭颤振运动方程耦合，用时间推进方法计算结构响应的时问历程，从而得到超临界翼型的跨声速颤振特性。研究了结构参数完全相同的3个超临界翼型(RAE2822，DFVLR-R2和NPU-3)的跨声速颤振特性。为了对比，同时计算了NACAOO系列的3个翼型(NACA0012，NACA0008，NACA0004)的跨声速颤振特性。研究结果表明，翼型形状对颤振特性有明显的影响，相对厚度较小的翼型颤振速度较高；厚度基本相同时，超临界翼型的颤振速度高于NACAOO系列翼型；跨声速范围内，由于气动力的非线性影响，普遍存在极限环振荡。     

涡激振动小圆柱对翼型气动力影响的数值研究

在大攻角来流时,翼型吸力面气流常产生流动分离现象,使翼型气动性能恶化。针对大攻角情况下的流动分离现象,本文在翼型前缘加入控制柱,通过数值仿真探究发生涡激振动的小圆柱对于翼型气动力的影响。基于计算流体力学、结构动力学和嵌套网格技术,本文建立了二维流固耦合模型。以NACA0012翼型为例,对翼型前缘设置涡激振动圆柱的流场情况进行模拟,并且对比了静止圆柱与振动圆柱情况下的流场变化。通过流线图和涡量云图分析了小圆柱流动控制的机理。仿真结果表明：设置静止小圆柱可以提高大攻角下的翼型升阻比,使小圆柱产生涡激振动之后,能够进一步有效地提高大攻角下的翼型升阻比50%以上。涡激振动小圆柱的引入在大攻角条件下对提升翼型升阻比具有显著效果,为改善翼型气动性能提供了一种有效的流动控制手段。     

低雷诺数条件下湍流度及湍流梯度对翼型气动特性的影响

以分布式动力垂直起降(VTOL)飞行器起降时的复杂流场研究为背景,对低雷诺数条件下来流湍流度/湍流梯度对翼型的气动特性影响进行了研究。采用C型结构网格及■转捩模型求解非定常雷诺平均Navier-Stokes(URANS)方程的方法,对NACA0012翼型在不同湍流度/雷诺数下的气动特性进行了研究,并与实验值进行对比,验证了计算方法的可靠性。研究了不同湍流度、雷诺数及湍流度梯度对翼型气动特性的影响,分析了其对翼型绕流转捩过程产生影响的机理。研究表明,处于较高湍流度或雷诺数的翼型绕流流动特征更加稳定,分离泡尺度更小,流动分离有所推迟,失速迎角更大,但是二者对转捩提前作用的机理不同;湍流度梯度对翼型的气动影响受到雷诺数及湍流度大小的限制,处于较高湍流度梯度的翼型绕流在流动分离、转捩及再附方面均得到了提前;层流分离泡的产生和演化与湍流度及雷诺数大小密切相关,其尺度与位置也影响着翼型的气动特性。     

超声速边界层氢气喷注减阻研究

针对带有后向台阶的等截面受限空间,通过三维数值模拟,开展了超声速内流道边界层氢气喷注减阻的研究,分析对比了2.3Ma,2.8Ma来流条件下等质量氢气喷注、2.8Ma来流条件下氢气以当量比0.03,0.06,0.1喷注后近壁区流动特征以及壁面摩擦阻力的发展。研究表明边界层氢气喷注在2.3Ma和2.8Ma来流条件下可以达到13.5%左右的减阻效果。2.8Ma来流条件下,当量比为0.06时减阻效果最优,降幅为13.5%。气体的扩散与掺混沿流向逐渐加强,激波与边界层相互作用处掺混会被先加强后抑制,壁面剪应力在该位置伴随密度先降低后反弹呈现相同的变化规律。摩阻降幅沿流向也逐渐减弱,最佳的减阻区域内可达到将近60%的减阻收益。     

叶表和端壁抽吸对跨音速压气机稳定性影响对比分析

以NASA Rotor35为研究对象,应用数值模拟手段深入分析了叶表和端壁不同位置抽吸对该压气机稳定性的影响效应。研究结果表明:叶表抽吸虽然使得压气机压比和效率有所升高,但使叶顶前缘脱体激波和间隙泄漏流强度的增加,导致两者相互作用引起的低能堵塞团尺度过早增长,压气机提前进入失速;端壁抽吸改善了转子顶部前缘激波结构,削弱了叶顶低能阻塞团中的高熵流体,改善了叶顶区域的流动,实现了压气机的扩稳效果,但对压气机压比和效率性能改善不明显。     

前缘角冰几何参数对翼型失速特性的影响分析研究

前缘角冰不规则凸起特征和几何随机性显著，分离流场特征复杂，导致翼型失速特性发生本质变化的致因机理和关键因素仍未完全明确。针对大型客机适航审定实际需求，基于典型翼型及结冰环境，构造了一族具备不同形貌特征、几何参数彼此关联的角冰冰形。结合数值模拟方法系统分析了翼型失速特性及分离流场特征对冰形高度及角度变化的参数敏感性，归纳了冰形参数改变导致失速过程分离泡发展规律发生变化的本质影响机理，为大型客机的结冰适航取证验证工作提供了更为充分的理论依据。