上下反翼对双后掠乘波体低速特性的影响

相比于传统乘波体外形,双后掠乘波体在保持高超声速良好性能的条件下能够提升乘波体低速气动性能,但其仍存在低速稳定性不好等缺陷.本文从密切锥乘波体理论提出给定前缘型线的乘波体设计方法,通过给定三维前缘型线分别生成具有相同平面投影形状的上反和下反机翼双后掠乘波体.使用CFD技术评估不同上下反程度外翼乘波体的低速性能,分析升阻特性以及流场涡结构特点.选取稳定性判据,研究上下反翼对纵向和横侧向稳定性的影响.结果表明,机翼上下反对乘波体低速升阻特性影响较小;不同外形均为纵向静不稳定的,且俯仰力矩变化趋势比较类似,机翼下反可使气动焦点位置后移,提升纵向稳定性;机翼上反有助于提升乘波体的横向静稳定性,而下反则会下降;机翼上反可以提升侧向稳定性,且上反程度越大提升效果越明显;同时机翼上反使乘波体的偏航动态稳定性有明显提升,下反则会降低,影响程度与机翼上下反程度呈正相关.通过结果分析,说明通过机翼上下反改善乘波体低速稳定性是可行的,为乘波体在宽速域高超声速飞行器中的应用拓展了途径.

双后掠乘波体低速性能研究

本文提出了一种双后掠乘波体的设计方法,采用特征线法构建曲面锥流场,通过投影及流线追踪技术实现气动布局设计。通过全局搜索优化算法对不同速域飞行性能进行优化,采用三维可压缩雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程求解飞行器周围流场,并研究了该双后掠乘波体的低速气动性能。

翼尖形状对双后掠飞翼纵向气动特性的影响

以双后掠飞翼为基础外形,兼顾隐身性能,对其翼尖进行改形设计。利用数值模拟方法研究翼尖平面形状对双后掠飞翼布局纵向气动特性和纵向静稳定性的影响。结果表明:剪切翼尖可以提供向前的推力、减小飞翼的阻力,提高最大升阻比,增强纵向静稳定性。不同形状的剪切翼尖影响效果不同,巡航状态下,相比于基础构型,剪切翼尖最大可以使双后掠飞翼阻力减少7.9%,最大升阻比提高11.9%,纵向静稳定裕度增加10.8%。研究结果对双后掠飞翼布局翼尖形状的选取有一定的参考意义。

双后掠飞翼布局参数对气动力的影响分析

以国外双后掠飞翼布局为例,选取展弦比、前缘拐折展向站位、内翼前缘后掠角和外翼前缘后掠角作为研究参数,分析了单参数和组合参数变化对气动力的影响。结果表明:各参数对气动力的影响呈非线性变化;前缘拐折展向站位、内翼前缘后掠角和展弦比对升力系数和升阻比的影响相对较大;要提高升力系数和升阻比,需减小前缘拐折展向站位和内翼前缘后掠角,增大展弦比,并注意各参数之间的耦合作用。

双后掠乘波体设计及性能优势分析

根据密切锥乘波体的设计几何关系,提出双后掠乘波体概念,给出了双后掠乘波体设计的参数与生成乘波体外形之间的关系。使用非均匀有理B样条(NURBS)表达包括圆和直线的激波出口型线辅助设计,研究了钝头区域可控、后掠区域可控的乘波体外形设计方法。使用CFD数值计算方法验证了设计方法的有效性,同时研究了双后掠乘波体外形的性能优势,结果表明在保持高超声速高性能的基础上适当设计外形在低速状态、纵向稳定性和涡效应增升方面具有性能优势,为大空域宽速域高超声速飞行器的研制开拓了新的途径。

双后掠乘波体的非线性升力增长

基于密切锥的双后掠乘波体是定平面形状乘波体的典型应用,除了具有良好的宽速域性能,其升力在高超声速大迎角下的非线性增长也是值得研究的现象。对比双后掠乘波体与单后掠乘波体的气动性能,发现双后掠外形比同等面积的单后掠外形具有更强的非线性增升效应,而且随着马赫数增加,其效应不断增强。分析乘波体不同部件的气动力,发现这种增升主要来自下表面,上表面贡献很小,指出相关学者提出的“涡升力”观点存在问题。本文研究表明,双后掠乘波体升力随迎角的非线性增加,与后掠角对激波附着的影响有关:后掠角越小,激波越难脱体,只要激波附着,参考斜激波关系式,波后的压力随迎角的增长就是非线性的,导致升力增长非线性;而激波脱体,升力增长则趋于线性。

双后掠乘波体高超声速试验与数值分析

根据密切锥方法提出定平面形状乘波体设计,以改善乘波体性能缺陷为目的生成双后掠外形。构建风洞试验模型在高超声速风洞中开展试验,模型分别为弯头双后掠(BEND)和尖头双后掠(CUSP)乘波体,并以一个单后掠外形作为对比模型。综合风洞试验和数值分析手段,研究了前缘钝化的影响,分析对比了模型的升阻力特性、纵向稳定性等性能,发现前缘钝化对乘波体的升阻比影响很大,而高超声速状态的数值模拟结果与风洞试验差别较小,BEND、CUSP模型的升阻比误差分别为0.19%、-0.23%,均小于0.5%。风洞试验和数值模拟数据表明,双后掠乘波体在设计状态保持了“乘波”特性,而且纵向稳定性得到很大提升,验证了双后掠乘波体设计方法和设计外形的有效性。

双后掠鸭翼气动特性的数值模拟

首先针对具有中等前缘后掠角梯形鸭翼的缺点提出双后掠鸭翼概念,然后分别对安装梯形鸭翼和双后掠鸭翼的近距耦合鸭式布局的气动性能进行数值模拟研究,分析影响双后掠鸭翼气动性能的流动机理。研究表明:在大迎角时,对于双后掠鸭翼,具有较大前缘后掠角的外翼段可以使鸭翼涡在涡核破裂后仍能形成稳定集中涡并保持较高的强度,增加鸭翼本身的失速迎角,并通过诱导作用改善机翼外翼段流场,进而提高全机大迎角性能,但在小迎角时会破坏鸭翼附着流或前缘气泡涡的发展,造成略微的升力损失。拥有较大失速迎角的双后掠鸭翼在小迎角时具有较大的可用偏度,可以增强布局的抬头控制能力。双后掠鸭翼在满足隐身约束的前提下,超声速阻力较小,具有较好的超声速性能。

上/下反翼对双后掠乘波体高超特性的影响

从密切锥乘波体理论提出给定前缘型线的乘波体设计方法,通过给定三维前缘型线分别生成具有上反和下反机翼的双后掠乘波体。使用CFD技术评估不同上/下反机翼乘波体的高超声速气动性能,并选取稳定性判据,研究机翼上下反对纵向和横侧向稳定性的影响。结果表明,上/下反机翼对“乘波”性能影响很小,在高超声速状态仍然保持了高升阻比特性;机翼上反,纵向稳定性降低,机翼下反,纵向稳定性提高;机翼上反可以提高横向稳定性,下反则降低;机翼上反和下反都会提高侧向稳定性,而且上反的效果更明显;同时机翼上反使乘波体的偏航动态稳定性明显提升,而机翼下反对偏航动态稳定性的影响随攻角增大而降低。

基于投影法的双后掠乘波体气动性能

双后掠布局能有效改善乘波体低速时的气动性能不足。为了获得双后掠乘波体,目前常采用的是定前缘型线的吻切锥乘波体设计方法,但该设计方法存在设计过程复杂,激波出口型线与理论不一致等问题。而采用直接投影获得双后掠乘波体的设计方法可以解决上述问题。为了系统研究基于投影法的双后掠乘波体的气动性能,使用CFD方法分析了采用该方法生成的双后掠乘波体在高超声速与低速时的气动性能。结果表明,该方法获得的乘波体在高超声速下的气动性能与定前缘型线的双后掠乘波体相当。且此方法仍保留了高超声速下"波效应"引起大攻角非线性升力、低速下"涡效应"有效提高升阻比等双后掠乘波体的优良气动特征,为基于投影法的双后掠乘波体的工程应用提供了指导。

定平面形状乘波体及设计变量影响分析

拓展密切锥方法的设计灵活性,提出了一种定平面形状乘波体概念。推导了设计参数与平面形状之间的泛化几何关系,使用非均匀有理B样条辅助设计,建立了头部区域可控、后掠区域可控的双后掠乘波体设计方法,并给出了此类乘波体外形参数与设计参数之间的几何关系。结合考虑黏性的乘波体性能快速预估方法评估乘波体性能,并通过CFD技术验证了设计和性能评估方法的有效性。提取设计变量,分析典型变量对乘波体性能的影响。结果表明,双后掠乘波体保持了高超声速阶段的高升阻比特性,同时具有对平面形状良好的可控性,为构建新型乘波体外形提供了思路。

特殊布局无人机多目标气动外形优化设计

文章主要是分析了双后掠飞翼布局隐身无人机平面外形的网络自动划分技术,同时讲解了气动预测方法和隐身性能预测方法,最后探讨了外形平面形状气动隐身的综合优化方案,望能为有关人员提供到一定的帮助和参考。

飞翼无人机平面外形气动隐身优化设计

对一种双后掠飞翼布局隐身无人机(UAV)平面外形,基于参数化模型和网格自动划分技术,采用气动无黏/黏性数值求解模型和隐身工程评估方法结合单/多目标优化算法,在给定的变量设计空间中完成了气动隐身综合优化设计研究。通过多目标优化给出了布局气动升阻性能相对隐身性能的最优设计边界,指出了外形气动与隐身设计之间存在的冲突关系,即一方性能提升必会使另一方性能降低,不存在双方同时最优的解,飞翼外形设计时需要在气动与隐身间进行权衡折中。计算表明,在飞翼布局外形优化中应采用精度高的黏性气动计算模型。所建立的气动隐身一体化优化设计方法,为飞翼布局无人机外形精细设计奠定了基础。