不同B-V频率下的飞机尾涡数值模拟研究

为保障民航飞机的运行安全,探究大气分层对飞机尾涡的影响,对不同B-V频率和初始温度条件下的尾流演化进行研究。选择SST k-ω湍流模型,使用Fluent软件对自定义函数搭建的9种大气环境下的A333飞机尾涡演化进行数值模拟,并基于演化结果对飞行安全进行分析。结果表明:初始温度不同主要会引起尾涡初始强度的不同,但对尾涡发展影响较小。B-V频率主要作用于t′=1.5之后,使尾涡特征的演化产生差异。较大的B-V频率会诱使尾涡上方产生小尺度的次级涡旋,加速尾涡衰减,减小涡核间距。B-V频率的增大会引起尾涡下沉速率大幅减小,使前机尾流在后机的飞行航路上停留更久,从而增大尾流间隔。

民用飞机静气弹载荷快速修正方法研究

本文旨在研究民用飞机静气弹载荷修正方法。在充分考虑现代大展弦比民用飞机设计特征和载荷修正要求的基础上,对现有的基于工程梁和片条气动力理论的静气弹载荷修正方法进行补充和完善,建立了一套完整的设计流程和计算方法,并结合风洞试验数据对该方法进行了验证。数值算例表明该方法计算速度快,计算精度满足工程应用需求,具有工程实用价值。

典型航天火工品运输三轴振动加速试验方法研究

运输振动环境是典型的多轴向振动激励,针对典型火工品运输试验中仍采用单向振动加载的现状,本文分析航天典型火工品运输工况,并提出设计火工品运输试验。研究航天典型火工品运输振动条件制定方法,确定运输三轴振动条件、运输三轴振动加速试验条件。建立典型航天火工品运输三轴振动加速试验方法,通过三轴振动试验,研究了火工品在不同里程、不同试验条件下的电阻值的变化情况,获取了电阻值随着运输历程的变化规律,为火工品三轴振动加速试验提供参考。

对转螺旋桨气动噪声试验系统设计与试验研究

风洞内对转螺旋桨气动噪声试验存在时间协调难、成本高的问题,依托地面声学环境,研制能够模拟对转螺旋桨地面开车状态的对转螺旋桨气动噪声试验系统。对某穿孔结构的对转螺旋桨和基准桨开展气动噪声试验,对设计的试验系统进行验证,并对穿孔结构对转螺旋桨的降噪效果进行评估。结果表明:在所测试的工况范围内,穿孔结构对转螺旋桨在保证气动性能的前提下能够有效降低噪声;在对飞机舱内影响最显著的90°指向角处,二阶通过频率处降噪量达到5 dB。本文设计的气动噪声试验系统,能够为对转螺旋桨气动噪声评估和降噪设计提供帮助。

乘波体设计与优化研究进展——从高超声速至宽速域

高超声速飞行器是当前世界航空航天强国抢占制高点的重点方向.目前,该类飞行器正朝着更高速度、更强机动和更宽速域的方向发展,而乘波体的高升力、高升阻比以及下表面流动均匀等优势使其在高超声速飞行器设计中极具应用价值,是当前国内外高超声速气动布局领域研究的热点之一.文章回顾了国内外典型高超声速飞行器和宽域飞行器的发展历程和趋势,系统概述了传统乘波体的设计方法、优化方法、各向稳定性以及宽域化乘波体设计方法等方面的研究进展,并提出一种全参数化描述的宽域乘波翼身融合布局设计方法及宽域气动布局方案,结合数值计算和风洞试验对该布局的宽域气动特性进行了详细评估,结果表明:该布局的亚声速、超声速和高超声速最大升阻比分别为8.4(Ma0.8),5.8(Ma1.5)和5.0(Ma5),整个宽域焦点变化范围为4.8%L,具备较优的宽域升阻匹配和操稳匹配特性.最后,对乘波体在超高速气动物理影响与正向优化设计方法、宽域布局设计与优化方法以及智能可变形飞行器等方面的发展方向进行了展望.

4.5 m×3.5 m低速风洞动导数试验技术研究

动导数是飞行器操稳特性分析、控制律设计过程中的关键参数。为满足大型飞行器研制对高精度动导数数据的获取需求,中国航空工业空气动力研究院基于4.5 m×3.5 m低速风洞开发了具备5种振荡试验能力的低速动导数试验系统。该试验系统利用伺服液压摆动马达和伺服液压缸作为运动的驱动元件,经过伺服阀的控制直接产生任意波形的强迫运动,具有运动传递间隙小、运动控制精度高、系统自动化程度高等特点。可实现2.5 m量级模型的动导数试验,风速范围30~60 m/s,迎角范围-36°~36°,侧滑角范围-40°~40°。利用动态标模及某翼身融合布局模型进行了动导数验证试验,结果表明该系统获得的动导数数据规律合理,数据精度在3%以内,可为大型飞行器研制提供高质量的动导数试验数据。

基于表面无黏流动特征的摩阻分布机器学习

摩擦阻力的精准高效预示对飞行器设计至关重要.然而摩阻分布的计算不仅代价大,且对网格密度、湍流模式和数值算法的依赖性强,而试验测量更具挑战性.为此,提出了一种数据驱动的高泛化性摩阻分布机器学习建模方法.该方法在Euler方程数值解的基础上,结合RANS计算的少量摩阻分布数据样本,构建了表面无黏流动特征与摩阻分布的关联关系模型,从而实现摩阻的预测.由于该建模方法嵌入Euler方程这一物理模型,使得在很少的样本下就能保证模型的高泛化性和高精度;另一方面,相比于RANS数值计算,由于只用求解Euler方程,计算量降低约一个量级.研究通过典型翼型和机翼的测试算例来展示该方法对于气动设计中变外形气动力的预测效果.相比于端到端的分布力深度学习建模,该方法在减少5倍样本量的情况下仍能取得很高的建模精度(阻力误差约2%~3%),且对于工况与外形变化具有较强的外插预测能力,结果的分散度低.该研究为附着流机翼的摩阻分布预测和机翼优化设计提供了一种新的高效研究手段.

考虑强风干扰的固定翼飞行器“神经元”飞行气动建模

大气环境中的风是影响飞行器实际飞行的主要动态环境干扰因素之一,强风干扰下的复杂空气动力学是固定翼飞行器安全稳定飞行面临的严峻挑战。为提高强风干扰下固定翼飞行器的环境适应能力,发展了一种基于深度元学习的创新固定翼飞行器“神经元”飞行气动建模方法,该方法采用相对于地面坐标系的变量进行描述,根据多元函数的切比雪夫级数理论,将气动力和气动力矩函数分解为不同变量函数的乘积和,通过生成对抗网络技术构建强风干扰下飞行器空气动力模型的共性基函数模型,进而预测飞行器在飞行过程中受到的气动力(矩)。研究结果表明,文章建立的固定翼无人机空气动力共性基函数模型准确,可以较好地预测未知风况条件下飞行器的气动力与气动力矩,为实时空气动力学建模的迁移应用奠定良好基础。

基于大涡模拟的螺旋桨噪声性能分析

采用LES大涡模型方法耦合FW-H方程的混合噪声数值模拟方法,对螺旋桨在起飞和着陆2种构型下的气动与噪声性能开展了数值模拟研究,并与风洞试验测量数据进行了比较。分析对比结果发现,在给定接收点的声压级计算结果与风洞试验结果偏差不超过2 dB。对于着陆构型下的螺旋桨,各声压监测点处计算结果与风洞试验结果偏差的平均值约为1.97 dB;对于起飞构型下的螺旋桨,各声压监测点处计算结果与风洞试验结果偏差的平均值约为1.04 dB。基于LES模型大涡模拟耦合FW-H方程的混合噪声数值模拟方法可以真实获取螺旋桨气动性能与气动噪声性能,仿真结果可以满足工程应用。

高空大推力涵道风扇气动设计研究

以飞行器推力涵道风扇为背景,利用NASA的涵道风扇模型和实验数据进行数值计算与验证;利用自编代码求解设计要求的涵道风扇在悬停状态下总体性能参数;采用叶素理论对风扇叶片进行设计,根据初始模型的数值结果对涵道风扇各个关键部件进行优化,得到一种新型的涵道外形截面。结果表明:涵道唇口导圆半径的增大会降低唇口处的分离,从而增大风扇进出口流量;小桨叶60%~100%处的出口安装角,增大了涵道风扇的出口轴向速度。两个部件的优化共同提升了涵道风扇的升力,达到设计指标要求。

带扩口折叠翼尖的大展弦比机翼气动弹性研究

扩口折叠翼尖依靠结构的自适应变形来降低飞行载荷,能有效简化控制系统,在成本和质量上更有优势。为研究弹性折叠翼尖作为被动载荷减缓装置的效果,使用铰链将翼尖连接到机翼并赋予一定弹性,对不同的折叠翼尖参数构型进行了静、动载荷响应以及颤振分析,研究了铰链方向、刚度、翼尖质量与翼尖重心位置对载荷响应与颤振特性的影响。结果表明,扩口折叠翼尖在合适的参数下能够显著降低机翼的静载荷与突风载荷,在静气动弹性配平分析中,折叠翼尖可以使展长增加25%而几乎不增加翼根弯矩,并使配平攻角降低了0.14°。在突风响应分析中可使最大翼根弯矩相比于固定翼尖减少近50%,仅比不带翼尖的基准模型高17%。但颤振速度有所降低,需进一步优化以改善其颤振特性。

临近空间太阳能飞行器着陆状态阵风响应

对临近空间太阳能飞行器着陆状态时的阵风响应问题开展了数值模拟研究。针对该类飞行器质量轻、柔性大、降落时速度低的特点,基于CFD/CSD松耦合分析法,利用网格速度法引入阵风载荷。以1-cos阵风模型为基础,探讨了飞行器着陆状态遭遇二维阵风载荷时,其翼尖位移、扭转角、翼根所受结构整体弯矩以及升力系数的变化特性;并将二维阵风响应结果与一维阵风响应结果进行对比;获得了临近空间太阳能飞行器着陆时,二维阵风沿飞行器翼展方向的变化对其结构和气动性能的影响规律。

一种新型组合翼地面效应气动特性数值研究

机翼构型是影响地效飞行器性能的重要参数,提出了一种新构型的组合翼,使用计算流体力学方法(CFD)并选择Realizable k-ε湍流模型来模拟机翼表面周围区域的流动结构。通过将具有NACA6409翼型的矩形翼的气动特性计算结果与实验结果进行对比,验证了数值模拟方法的准确性。对组合翼在地面效应下的气动特性进行数值模拟,研究了攻角和离地高度对气动特性的影响,并与矩形翼进行了对比分析。结果表明,组合翼的气动性能相比矩形翼有一定的提升,主要集中在阻力的降低与升阻比的提高上,且在低离地高度和大攻角下提升明显;组合翼具有更大的湍流动能,然而吸力效应小于矩形翼,尾缘气流分离的程度更大;该研究为高性能地效飞行器机翼构型设计提供了参考依据。

大型加受油机流场气动耦合特性研究

空中加油(Aerial Refueling,AR)是一种通过在飞行中给飞机加油来增加飞机续航力和航程的有效方法。国内外主要发展了两种不同的加油方式,分别为硬管式与软管锥套式,其中前者主要有加油速率高、驾驶员工作负荷小、对扰动敏感度较低等优点。随着空中加油任务的不断拓展,大型加受油机之间进行对接加油的频次逐渐增加,随之而来的一些飞行问题也受到了关注。

飞机大攻角空间机动气动力建模研究

准确的气动力模型是大攻角机动仿真与控制等飞行动力学问题研究的基础。针对纵向运动建立的非线性非定常气动力微分方程模型扩展应用于一般空间运动形式,在分析大攻角非定常流动机理和试验数据的基础上,发展了一种多自由度非线性非定常气动力数学模型,并探讨了模型辨识和参数估计问题。用全机构形的大攻角动态风洞试验数据对模型进行的验证表明所发展的气动力模型能够描述大攻角气动力主要的非线性和非定常特性。

机翼混合相冰晶结冰现象的数值研究

为探究冰晶与过冷水滴共存时的混合相结冰特性,基于FENSAP-ICE结冰计算平台,以NACA0012翼型为研究对象,采用阻力系数对非球形冰晶的运动过程进行修正,考虑了冰晶黏附效应和侵蚀效应的影响,建立了欧拉框架下冰晶运动、碰撞、黏附、结冰和侵蚀全物理过程的混合相结冰数值计算方法。分析了冰晶质量浓度(ice water content,IWC)、液态水质量浓度(liquid water content,LWC)以及冰晶黏附和侵蚀效应对结冰形态和结冰厚度的影响规律,对比了NTI和NRC两种冰晶黏附模型的适用条件。研究结果表明:当总水含量(total water content,TWC)一定时,随着冰水含量比IWC与LWC之比的增加,结冰覆盖面积逐渐减小,最大结冰厚度先增大后减小,冰形由冠状逐渐变为尖角状,当IWC与LWC分别为0.4 g·m^(-3)和1.0 g·m^(-3)时,驻点处的结冰厚度达到最大值;对于高IWC工况,NRC黏附模型的驻点结冰厚度更接近实验结果,误差为7.2%;对于低IWC工况,NTI模型与NRC模型的驻点结冰厚度接近;侵蚀作用主要影响翼型驻点附近的区域,IWC或LWC的增大均会加剧侵蚀效应。研究可为飞行器高效防除冰系统的设计提供理论依据。

飞翼布局翼型气动隐身综合设计

针对飞翼布局翼型气动隐身综合设计问题,开展基于飞翼布局内外翼不同设计要求的翼型气动隐身综合优化研究。采用改进后的Hicks-Henne参数化方法实现翼型的参数化表达;分别采用基于雷诺平均N-S方程求解的计算流体力学方法及物理光学法和增量长度绕射系数法为基础的RCS分析方法计算翼型的气动、隐身性能;选择分层交换差分粒子群算法进行综合寻优设计研究。优化后的翼型兼顾了气动与隐身的要求,其综合性能优于原始翼型,满足飞翼布局的设计要求。结果表明该方法具有较好的实用性。

鸟撞高速飞机风挡若干问题的冲击动力学研究

对鸟撞飞机风挡的动态响应问题作了冲击动力学的分析研究。由航空有机玻璃在应变率10^(-4)s^(-1)～10~3s_(-1)和温度-60～100℃的试验研究表明其本构关系的应变率效应和温度效应是不可忽略的。由铸镁合金的试验研究则表明其表观的应变率敏感性与铸态缺陷所引起的试验数据分散性相比是可忽略的。用特征线数值法对撞击界面载荷特性的计算分析表明,撞击载荷与结构动态响应间的耦合作用是不可忽视的。

基于ROM技术的阵风响应分析方法

阵风响应分析是大型飞机设计过程中必不可少的环节,现有的阵风响应分析主要采用基于线化升力面理论的气动力模型,不能考虑到各种非线性效应,不适合于跨音速气动弹性的分析.基于CFD技术,采用系统辨识方法,在状态空间内建立了降阶的非定常气动力模型(reduced order model,ROM).耦合结构运动方程、非定常气动力模型(结构运动)、外激阵风的气动力模型,建立了基于CFD技术的阵风响应分析模型.算例研究了某一典型机翼在方波激励下的阵风响应问题,对比了各阶模态位移的响应以及翼根弯矩的响应.基于ROM技术的计算结果与CFD/CSD直接耦合仿真结果吻合,证明了该方法的正确性和精度.

基于灰色关联分析理论和等工程价值比方法的飞行器研制生产费用研究

基于国内外历史数据,采用灰色关联分析理论建立了飞行器研制生产费用驱动因子的确定方法;结合飞行器早期设计中已知信息较少的特点,引入等工程价值比概念,根据确定出的费用驱动因子修正已有的国外研制生产费用模型,来估算适合于国情的新型号飞行器研制生产费用,为国内飞行器顶层设计研制生产费用的研究和费用效能评估提供了一种新思路。