民用飞机自然层流机翼研究进展

新世纪航空市场对能耗、噪音等限制性要求继续加强,新一代民用飞机需要在气动减阻方面取得重大突破,自然层流机翼技术成为研究热点。总结了层流技术类别,回顾了自然层流机翼的主要研究历程,介绍了当前正在开展的欧洲TELFONA计划和美国ERA计划中的自然层流机翼的研究进展,概述了自然层流机翼应用情况和自然层流短舱,分析了自然层流机翼的实际应用难题,展望了自然层流技术在新一代民用飞机中的应用。

雷诺数对涡桨飞机增升装置气动特性影响的计算研究

雷诺数是表征流体粘性对流动影响的相似参数,对飞机部件的气动性能具有重要的影响。利用商业软件CFX对某民用涡桨飞机增升装置构型进行变雷诺数计算研究,详细分析雷诺数对升力系数、失速特性以及附面层速度特性的影响。结果表明:雷诺数对最大升力系数和失速迎角都有显著的影响;不同雷诺数下机翼分离形态变化显著,大雷诺数下机翼分离区域较小;不同雷诺数下机翼附面层状态不一致,雷诺数增大使得附面层速度型更饱满,机翼的抗分离能力增强。

NURBS曲面在气动外形变形中的应用

针对翼吊布局飞机复杂气动外形,建立了基于样条(NURBS,非均匀有理B样条)曲面和曲面叠加技术的曲面变形方法。在对样条曲线性质分析的基础上,以DLR-F6飞机为实例,对其机翼翼根、短舱挂架局部进行曲面网格变形,结果表明该方法能有效表述其复杂几何外形及型面变化特性,并且具有较好的局域性、可控性和光滑性。该方法可有效应用于吊舱挂架等复杂气动外形的建模、表面网格变形及气动外形优化设计等。

翼尖尖点散射特性分析

为解决机翼翼尖等弱散射源所带来的雷达散射截面(RCS)贡献问题,针对典型机翼设计了几种不同的机翼翼尖方案,建立了典型翼尖数值模型。利用基于多层快速多极子算法(MLFMA)的FEKO软件,计算、分析不同方案翼尖外形在不同频段、不同方位角下的RCS量级,并优选出对机翼RCS贡献最低的翼尖外形方案。计算结果表明,针对典型机翼,从翼尖到翼根方向上15%处顺气流直切的翼尖外形方案,其翼尖尖点所带来的RCS贡献最小。

涡桨飞机短舱/增升装置一体化气动设计研究

对涡桨飞机增升装置设计的特殊性进行了分析,指出了传统增升装置设计方法在涡桨飞机增升装置设计上存在的问题。详细描述了涡桨飞机短舱/增升装置一体化气动设计方法的流程,并对某涡桨飞机的多段翼型参数优化设计、短舱/三维增升装置一体化设计及风洞试验结果进行了简要介绍。相对于传统的增升装置设计方法,采用涡桨飞机短舱/增升装置一体化气动设计方法显著提高了涡桨飞机起飞、着陆构型的气动性能。

飞机外挂物投放风洞与飞行相关性研究思路探讨

从飞机外挂物投放风洞试验现状出发,综合分析动力相似法、捕获轨迹法和网格法3种方法的不同特点及其影响真实模拟的因素,探讨飞机外挂物投放与飞行相关性修正体系研究思路,为飞机外挂物投放设计研究提供参考。

分布式零质量射流控制增升装置分离的数值模拟

为改善大型民用运输机的起降性能,以典型的三段翼型为研究对象,研究分布式射流主动控制技术对提高增升装置效率的可行性。给出了零质量射流和分布式零质量射流的作用原理,获得了分布式零质量射流的孔口分布、射流频率、射流动量对增升装置气动性能影响的规律。研究表明:零质量射流不论是吹气或者吸气,都可以增加边界层的能量,延迟分离,使得流动控制整个周期产生的气动效果都要优于未加控制的情形,但其无法完全消除襟翼上表面的分离,分布式零质量射流能达到更好的结果。数值模拟结果表明:零质量射流控制能使升力系数增加7.1%,分布式零质量射流控制能使升力系数增加20.3%,可见分布式零质量射流比零质量射流有更好的控制结果。分布式零质量射流不仅仅是各个孔口射流的简单叠加,而且还受到各个孔口串联作用的有利影响。总结四孔分布式零质量射流的设计准则为:当射流频率为1,射流动量为0.002时,能最大限度地消除襟翼上表面的分离,对升力系数的改善最为明显。

作战飞机和导弹在危机管控时的作用分析

分析了危机管控对作战力量的特性需求,从危机管控的有效性和作战力量结构的稳定性两方面出发,提取了灵活性、响应速度、表明意图、打击威力、减少损伤、降低威胁等6个要素,对战斗机、轰炸机、弹道导弹、巡航弹道等装备在危机管控中的作用和风险进行了分析。结果表明,轰炸机在危机管控中能起到很好的作用。

涡桨飞机缩比模型机体噪声预测研究

民用飞机机体噪声水平已成为衡量飞机性能的重要指标,受到了越来越多的关注。当前基于CFD数值模拟的机体噪声预测研究大多针对飞机单独部件开展,缺乏对全机高保真复杂构型的噪声预测。由于部件之间的干扰,针对部件的噪声预测在计算条件、噪声的产生及传播等方面均和实际构型之间存在很大的差异,因此采用高保真真实飞机模型才能对飞机机体噪声进行更准确的预测。采用精细化高分辨率网格与高精度混合RANS/LES方法,结合FW-H声类比方法,对涡桨飞机高保真1/6缩比模型在降落状态下的气动噪声进行了数值预测研究。采用改进的延迟分离涡模拟(IDDES)方法对近场声源区流动进行模拟,得到了涡桨飞机全机的近场声源特性。除了捕捉到襟翼侧缘和翼尖2个重要噪声源之外,还发现了由短舱尾迹和后缘襟翼之间的干扰引起的噪声源、襟翼内侧和机身之间的复杂流动引起的噪声源。远场噪声研究结果显示,在机身的纵向对称面内,噪声主要向前下方和后上方传播,偶极子特性十分明显。在垂直于来流的平面内,横向噪声较弱。

面向方案设计的倾转旋翼飞机短距起飞性能

倾转旋翼飞机同时具备低速垂直起降和高速巡航飞行的能力,受到航空从业者高度重视;而短距起飞相比于垂直起飞可以提升有效载荷以及起降安全性,是倾转旋翼飞机特有的起飞方式之一。面向方案设计阶段,研究倾转旋翼飞机在短距起飞模式下,推导该类飞机地面滑跑距离与短舱动力倾转角、推重比等设计参数之间简洁有效的理论公式;并予以计算分析。结果表明:该方法合理可信,所得结论可为同类飞机设计提供参考,具有良好的工程应用价值。

未来新一代轰炸机隐身特性需求分析

远程战略轰炸机的自身隐身性能提升和隐身航迹策略规划越来越受到重视。通过对比分析美俄下一代隐身轰炸机的隐身性能和所面对的威胁,指出了未来新一代隐身轰炸机更高的隐身性能需求——全频谱、全方位隐身技术,例如雷达隐身、红外隐身以及射频综合隐身等;并归纳了未来高隐身战略轰炸机的主要突防措施,例如更先进的隐身技术、体系支持、高空突防、加装自卫武器等措施。

基于风洞试验和数值模拟的超临界机翼雷诺数修正方法研究

结合风洞试验方法和数值模拟,对采用超临界机翼的大型飞机进行雷诺数影响规律研究。对比分析了不同雷诺数下的试验结果和数值模拟结果,在此基础上研究了基于数值模拟结果的雷诺数修正方法,将低雷诺数试验结果向高雷诺数进行修正。修正结果与相应雷诺数试验结果相比,阻力系数相差不超过0.0004,升阻比最大误差约为0.2。针对于力矩系数修正误差问题进行了修正方法改进,改进后的修正误差从0.01降为0.001,表明了修正结果在飞行雷诺数下的适用性。

融合体布局超临界翼型设计研究

针对跨声速融合体布局飞机,构建了所需超临界翼型的气动优化设计问题;基于"人在回路"的多轮迭代优化理念建立了翼型多目标多约束优化设计平台,其中:翼型参数化采用基于型函数/类函数变换的参数化方法,气动力解算器采用基于三维雷诺平均Navier-Stokes方程(RANS)的求解程序CCFD-MB,计算网格生成与网格更新采用基于无限插值和椭圆光滑算法的C型结构网格程序,优化算法采用多目标优化遗传算法NSGA-II。设计结果显示,优化翼型具有常规超临界翼型的基本气动力特征,满足阻力发散、抖振边界和低速特性要求;同时具有前加载特征,低头力矩大幅低于常规超临界翼型,满足融合体布局气动力要求。

嵌入式大气数据传感系统研究进展

大气数据的精确测量对飞行器的导航与控制至关重要。相较于传统的探针式大气数据测量系统,嵌入式大气数据传感系统更适用于隐身性能要求、大迎角飞行要求的飞行器或高超声速飞行器。回顾了嵌入式大气数据传感系统的发展历程,介绍了该系统完整的组成部分及其工作原理,并指出该系统在应用时的四项关键技术(测压孔布局、气动模型及求解算法、校正算法、故障检测及管理技术),结合国外多种飞行器上该系统不同的应用方案,分别对比分析四项关键技术不同应用方式的优缺点;指出了该系统的四项关键技术均会影响系统精度及可靠性,实际应用中需综合考虑选择其应用方式;最后展望了该系统在未来航空航天领域的应用。

民机起落架轮毂腔流场及气动噪声特性研究

民机起落架轮毂空腔具备对偶内侧腔、轮轴干扰、外侧腔倒圆等特殊几何特征,导致轮毂空腔流动分离特性及发声机理比普通纯空腔更为复杂。结合IDDES(Improved Delayed Detached Eddy Simulation)方法和FW H方程,对某民机高保真前起落架模型机轮内外轮毂腔分离流动演化过程及噪声发声机制进行了计算分析研究。计算结果表明,由于轮轴干扰效应,内侧轮毂腔前后分别呈现剪切反馈流动和完全分离流特征,剪切反馈流动导致当地出现明显离散峰。由于外侧轮毂腔深度较浅,且下游边缘存在倒圆,当地无明显离散峰出现。通过对比封闭轮毂腔前后的流场特征,验证了上述内侧轮毂腔流动导致离散峰产生的相关流动机理。

不同湍流模型对增升装置气动特性计算结果的影响

为了研究湍流模型对增升装置气动特性计算的影响,分别采用了4种湍流模型对某民用飞机带增升装置翼身组合体构型进行了计算流体力学(CFD)数值模拟,并且将计算结果与风洞实验结果进行比较和分析。计算结果表明,不同湍流模型计算结果有所差异。在线性段,SST、Omega雷诺应力、BSL雷诺应力3种湍流模型计算结果较为接近,与实验结果符合的更好,计算阻力与实验值相比误差在6%以内,而Omega雷诺应力模型计算结果与实验结果相比差异较大。此外,这4种湍流模型对失速迎角、最大升力系数的预测也存在不小的差异。

涡桨飞机发动机短舱气动改进设计研究

本文通过数值计算方法,从上下安装位置和局部外形两个方面着手改进短舱,给出两个改进方案,兼顾高速气动特性和低速气动特性两个方面,全面改善飞机气动特性,降低了短舱对机翼气动特性的不利影响,并且总结出短舱的安装位置和外形分别对机翼高低速气动特性的影响规律,为涡桨飞机翼吊短舱的气动设计提供有利经验。

考虑螺旋桨滑流影响的机翼气动优化设计

涡桨飞机的机翼、短舱等部件在滑流作用下周围的流场特性与无滑流状态下截然不同。所以,应该在涡桨飞机的机翼气动设计过程中考虑螺旋桨滑流的影响,从而使得机翼在真实飞行时滑流作用下表现出更好的气动特性。采用基于雷诺平均Navier-Stokes方程的多重参考坐标系(MRF)方法对螺旋桨滑流进行高精度准定常数值模拟,通过自由变形(FFD)技术实现螺旋桨飞机机翼的参数化构建,应用径向基函数(RBF)插值的动网格技术进行网格自动生成,获得样本机翼在滑流影响下的气动数据后,建立目标函数和状态函数的Kriging代理模型,结合随机权重粒子群优化(PSO)算法、Kriging代理模型和对应的EI(Expected Improvement)函数加点准则进行加样本点以及代理模型重建,从而建立滑流影响下机翼气动优化设计系统。使用该系统对某型螺旋桨飞机进行了滑流影响下的优化设计,结果表明,优化后的构型机翼和短舱在巡航状态下减阻达3.98counts,升阻比提高了3.325%。因此,建立的考虑滑流影响下的机翼优化设计方法是可行的。

涡桨飞机有/无动力降落构型的气动噪声预测

以某双发涡桨飞机为对象,采用精细化笛卡尔网格与混合RANS/LES数值模拟,结合FW-H方程的声类比方法,对某涡桨飞机的有动力降落构型和无动力降落构型(均为1/6缩比模型)开展气动噪声预测与对比研究。通过对比分析近场流动结构、机身表面压力分布与压力脉动探测数据、Lamb矢量的散度分布和远场观测点噪声数据,发现对于无动力降落构型,翼尖、襟翼侧缘、襟翼连接件、襟翼与机身连接处等位置的表面压力脉动显著强于其他区域;对于有动力降落构型,除上述区域外,在螺旋桨滑流的干扰下,发动机舱、机翼前缘和襟翼表面压力脉动明显增大。远场噪声观测数据表明,采用的噪声预测方法不仅能够准确捕捉螺旋桨旋转噪声主频,还能够清晰观测到2倍、3倍及4倍谐频。最终结果显示,有动力降落构型的螺旋桨旋转噪声幅值最大,是最主要的噪声源。有动力降落构型相比于无动力降落构型的总声压级要高20 dB左右。因此,建议针对该涡桨飞机降落构型,其降噪设计重点应放在螺旋桨降噪优化设计方面。

一种飞翼布局民机的离散阵风载荷特性研究

阵风载荷是飞机强度设计中需要考虑的重要载荷来源。以飞翼布局飞机FW-11作为研究对象,采用"1-cosine"调谐阵风模型,求解飞机阵风响应下的运动方程,计算并分析飞机在垂直离散阵风响应下的载荷特性,并将其与常规布局的参考飞机进行对比。结果表明,定常平飞时FW-11飞机承受较小的载荷,但阵风引起的载荷增量较大。