带下表面射流的超临界翼型优化

为探究跨声速工况下超临界翼型RAE2822带下表面射流(jet on the lower surface of trailing edge,LSTE jet)的气动力特性,采用Navier-Stokes(Reynolds Average Navier-Stokes,RANS)控制方程结合Spalart-Allmaras(SA)湍流模型的方法进行数值模拟分析。研究发现,在上翼面存在激波的情况下,下表面射流在增大翼型升力的同时也增大了波阻。提出下表面射流伴随优化进程的射流翼型一体优化思路。采用基于Kriging代理模型的优化方法,以最大化升阻比为目标,对RAE2822翼型分别进行了基准外形优化和带下表面射流(cμ=0.0002)的翼型优化。结果表明:在Ma=0.73、Re=6.5×10^(6)、α=2°的工况下,相较于基准翼型,下表面射流翼型等效升阻比提高了4.9%,下表面射流优化翼型等效升阻比提高了26.2%。带下表面射流翼型的射流翼型一体优化设计方法,能够显著提高超临界翼型的等效升阻比,研究结果有助于下表面射流的应用研究。

微型涡流发生器控制超临界翼型边界层分离实验研究

在低速风洞中研究了微型涡流发生器对超临界翼型边界层分离的控制.根据超临界翼型边界层分离特性,提出了涡流发生器的流动机理.研究了梯形涡流发生器不同高度和弦向位置对边界层分离控制效果的影响.研究表明,微型涡流发生器对超临界翼型边界层分离的控制主要起减阻作用;适宜采用微型涡流发生器对超临界翼型边界层分离进行控制,其最佳位置应在分离线前2～5H涡流发生器高度之间.

超临界翼型的跨音速抖振特性

以二维非定常N S方程为基本方程 ,计算跨音速翼型升力系数的时间历程 .根据升力系数的脉动量急剧上升的起始点确定抖振起始边界 .以超临界机翼DFVLR R2和传统翼型NACA0 0 12为研究对象 ,研究了两种翼型的抖振特性 .计算结果表明 ,在超临界翼型的设计马赫数附近 ,超临界翼型具有良好的抖振特性 .

超临界翼型Gurney襟翼增升技术实验研究

通过在二元翼型风洞中进行测力实验,研究了不同高度Gurney襟翼对超临界翼型气动力和力矩的影响规律。实验结果表明:在亚声速条件下,Gurney襟翼同样可以明显增加翼型的升力系数,使整个升力曲线向上平移,并使翼型低头力矩增加。高度为翼型弦长0.5%的Gurney襟翼可以带来超临界翼型的最大升阻比。同Gur-ney襟翼对NACA 0012翼型气动特性改变的对比表明,其在超临界翼型上带来的升力系数增量要大于在NACA0012翼型上的效果,但是带来的低头力矩增量较小。

微型涡流发生器对超临界翼型升阻特性影响实验研究

采用低速风洞实验方法,研究了安装在超临界翼型上的微型涡流发生器四种高度和安装位置对绕该翼型的流动影响。对比干净翼型和安装微型涡流发生器的翼型升阻特性,结果表明：同向安装的微型涡流发生器能减小阻力,但对升力和失速迎角影响不大;大尺寸微型涡流发生器减阻没有小尺寸效果好;高度低于0.4δ（δ为边界层名义厚度）的微型涡流发生器最佳安装位置为参考分离位置下游3.5δ~4.5δ处。

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间历程 ,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( RAE2 82 2 ,DFVLR- R2和 NPU- 3)的跨声速颤振特性。为了对比 ,同时计算了 NACA0 0系列的 3个翼型 ( NACA0 0 1 2 ,NACA0 0 0 8,NACA0 0 0 4 )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 NACA0 0系列翼型 ;跨声速范围内 ,由于气动力的非线性影响 。

基于SOM神经网络的超临界翼型设计

本文采用了基于自组织特征映射(SOM)神经网络的超临界翼型设计方法,研究了超临界翼型设计问题。根据不同样本翼型的几何特征和气动特征,利用SOM神经网络对其进行分组,形成系统的超临界翼型专家数据库。训练后的SOM神经网络能够根据设计条件,自动挑选出最合适的一组翼型作为参考翼型。在此基础上,采用置信度推理法建立了翼型几何参数与气动参数之间的关系,作为设计基准,采用最速梯度下降法给出翼型的较佳几何参数。研究结果表明:SOM神经网络能够有效地区分有相同特征的一类翼型,分类灵活,可以为设计工作提供方向性指导;最终得到的设计翼型与基准翼型相比,有效地提高了升阻比,具有较优的综合气动性能。

微型涡流发生器对超临界翼型减阻机理实验与数值分析

针对安装在超临界翼型后部的微型涡流发生器减阻问题,先用风洞实验测出微型涡流发生器对超临界翼型升阻特性的影响,然后采用RANS方程和κ-ε湍流模型进行数值模拟,分析安装在超临界翼型后部的微型涡流发生器减阻原因。研究发现:微型涡流发生器使下游近壁面处低能气体向上卷起与外层高能气体掺混,近壁面平均湍动能增加、翼型后部脉动压强增大,压差阻力减小;湍流应力由速度梯度、湍流粘性系数和脉动压强共同决定,虽然气流掺混,弦向速度法向梯度减小、湍流粘性系数减小,但展向速度法向梯度和脉动压强增大,湍流应力增大,摩擦阻力增大;微型涡流发生器尺寸很小,完全浸没于附面层内,仅掺混与它高度相当的附面层内流体,对附面层厚度影响小,对翼型升力影响小。

基于全速势方程的超临界翼型设计

基于全速势方程,完成了超临界翼型设计。首先分析了最优化设计和反设计两种常用的翼型设计方法的特点。综合考虑两种方法的利弊,选用最优化设计法。结果显示,设计理论和实施方法完全适合现代翼型设计,设计结果可以满足设计指标要求,诸如巡航状态下的升力系数、阻力系数、升阻比、攻角、翼型最大厚度及厚度位置、巡航效率、压力分布形态、激波强度等等。

自然层流超临界翼型的设计研究

阐述了研究发展我国自然层流超临界翼型ＮＰＵ－Ｌ７２５１３的设计思想，设计要求和转捩位置的判别技术和设计方法，首次提出了利用弱激波形成足够顺压梯度的自然层流超临界翼型设计思想，解决了维持层流所需的有一定顺压梯度压力分布形态和无激波超临界翼型的屋顶状压力分布要求的矛盾。风洞实验结果表明，所设计自然层流超临界翼型达到了设计要求。

变形体超临界翼型动态气动特性

为实现飞行器外形根据来流条件变化做出相应调整,需深入了解变形体非定常气动现象和机理。以典型超临界翼型为研究对象,分别制定了翼型厚度及弯度变形方案,实现了翼型柔性变形。利用数值仿真方法在高雷诺数条件下开展了翼型厚度、弯度连续变形带来的非定常效应。结果表明,翼型厚度、弯度连续变形均会形成明显的升、阻力系数迟滞环,且频率越高、幅度越大,变形导致的非定常效应也越强;相对而言,翼型弯度变形产生的非定常效应较厚度变形产生的非定常效应更明显。最后通过分析流线图及压力系数分布图发现,流动结构随几何变形的迟滞性会导致非定常效应的产生。

基于混沌多项式方法的层流超临界翼型稳健设计研究

开展层流超临界翼型稳健设计研究。针对传统的基于蒙特卡洛不确定分析方法的稳健设计系统计算量巨大、效率低下等问题,引入了混沌多项式方法,建立了新型稳健设计系统。采用RAE2822翼型稳健设计验证了设计系统的可靠性、高效性。结果表明,混沌多项式方法在保证设计精度的基础上设计效率提高了10倍左右。采用该系统进行了层流超临界翼型稳健设计研究,设计的结果表明:对于层流超临界翼型设计需要兼顾层流区长度、阻力发散特性;基于多目标稳健设计方法可以权衡设计点特性和阻力的波动特性;设计后翼型与原始翼型相比,设计点阻力减小了10cunts,阻力发散马赫数提高了0.01,在整个马赫数范围内维持了低的阻力特性。

基于多输出高斯过程的超临界翼型优化

提出了一种基于多输出高斯过程(MOGP)回归模型和模拟退火算法相结合的翼型优化方法。采用拉丁超立方抽样方法在设计空间内构造一系列样本点,其中优化设计采用CST参数化方法对翼型的几何外形进行参数化表示。通过CFD流体计算得到其响应值来建立初始的MOGP代理模型。以阻力最小化为设计目标,考虑面积、升力等约束条件。通过单点优化和多点优化试验表明,发展的翼型优化设计方法达到了优化设计的目的,同时也说明基于MOGP模型的优化设计方法在气动优化设计中的应用是可行的。

超临界翼型射流环量控制的数值计算

为提高飞行器的升力特性,改善起飞着陆和机动性能,研究了射流环量控制对超临界翼型气动特性的影响。基于计算流体力学,对影响计算效率和精度的网格参数进行了优化设计,得到一种高效高精度网格的剖分方法;并以此为基础,建立超临界翼型环量控制的计算模型,求解雷诺平均N-S方程,分析了环量控制在不同动量系数和迎角下的作用效果,数值计算结果与实验结果基本一致。结果表明:环量控制大大提高了翼型的气动特性,且在小迎角或负迎角就可以产生较大的升力,但是动量系数并不是越大越好。计算结果可为进一步研究环量控制对飞行器的影响奠定理论基础。

超临界翼型加装鼓包减阻的数值研究及优化设计

采用数值模拟方法对鼓包的减阻作用机制进行了研究,并使用差分进化算法对鼓包进行了优化设计。针对NASA SC(2)-0714翼型,分析了鼓包参数对翼型流动及气动性能的影响规律,并得到了减阻率为13.1%的鼓包。结果表明:鼓包参数(安装位置、鼓包高度和鼓包长度)是影响减阻效果的重要因素。差分进化算法能较好地应用于鼓包的优化设计,对鼓包技术的应用发展具有重要意义。

超临界翼型尾缘噪声影响因素研究

使用大涡模拟(LES)和FW-H相结合的方法对超临界翼型尾缘噪声进行了研究。针对超临界翼型后缘的不同设计参数(后缘厚度、后缘角和几何形状)对尾缘噪声的影响,使用ANSYS FLUENT的LES湍流模型计算声源,采用FW-H积分方法求解远场噪声总声压级。首先完成二维非定常流圆柱绕流的流场及其噪声的验证计算,计算结果与实验值符合,证明了求解器设置和网格生成的合理性。然后基于此正确的求解器设置和网格生成,使用LES/FWH对比了典型超临界翼型的不同后缘设计参数对远场总声压级的影响,所得结论对低噪声超临界翼型优化设计有参考意义,同时为进一步的噪声控制优化设计提供了基础。

超临界翼型设计中的多响应代理模型

为考虑超临界翼型设计中代理模型多响应之间的相关性,研究了基于多输出高斯过程回归的代理模型。通过实验数据验证了升力系数、阻力系数及力矩系数之间显著的相关性,建立了超临界翼型设计中的基于多输出高斯过程的多响应代理模型,并与kriging模型、BP和RBF两种人工神经网络模型进行了对比。结果表明,当超临界翼型设计中多输出端口之间存在显著的相关性时,多输出高斯过程相比kriging、BP和RBF能有效显著提高预测精度,并获得更加稳定的预测性能。

翼型改型对超临界翼型气动性能影响的数值研究

为了深入研究改型对跨声速翼型气动性能的影响,对NASA SC(2)-0614翼型进行多种方案的改型,包括前缘半径、厚度、弯度、翼型上表面形状等,并得出最终优化改型方案。数值模拟结果表明,改型后翼型设计状态下升阻比和临界马赫数均有显著提高。

基于CFD的超临界翼型气动特性数值模拟

为了研究超临界翼型在跨音速叶轮领域的应用,对超临界翼型进行气动特性分析。本文以超临界翼型SC(2)-0712为研究对象,使用ICEM软件对其进行网格划分,在FLUENT中选择SST k-ω湍流模型,模拟研究了该翼型在不同马赫数和攻角条件下的升阻比变化规律,并分析了攻角变化对翼型激波位置和激波强度的影响。结果表明:对于超临界翼型SC(2)-0712,其升力系数随着攻角的增大先上升后下降,约在9°~12°攻角范围内出现峰值;阻力系数均随攻角的增大而增大,并呈近似线性变化;升阻比随着攻角增大而减小,并在6°攻角之后趋于平坦;攻角的变化对激波位置和强度有显著影响,且攻角越大,激波越靠近前缘,激波强度也越大。为超临界翼型在跨音速叶轮领域的应用提供理论支持。

大型飞机超临界翼型设计与优化

从初始翼型开始,利用型函数生成几何扰动量叠加到基本翼型表面,以型函数的权系数为设计变量,对翼型进行优化设计。在ISIGHT平台下集成以下三个模块:利用C++语言编写一个翼型关键点生成程序,来实现优化参数的计算;将生成的翼型数据点,调用并导入到GAMBIT内,由GAMBIT生成网格后结束GAMBIT;调用FLUENT对GAMBIT生成的网格进行流场计算;最后应用ISIGHT优化算法库中的遗传算法对FLUENT的计算结果进行分析,实现整个优化流程的自动化。以CJ818飞机为例,采用超临界翼型作为初始翼型,应用上述方法进行优化,结果表明此方法能设计出符合条件的基本翼型,有一定工程应用价值。