3种不同机翼构型的地效翼气动特性优化实验研究

机翼的几何构型是影响地效飞行器空气动力学特性的重要参数,为改善地效飞行器升力、阻力特性,采用拖曳水槽实验测量了下反前掠翼和具有仿生凹凸前缘下反前掠翼的升力、阻力特性和尾流速度场,并在分析翼尖涡流场结构的基础上从展向流动的角度讨论了机翼升力阻力变化的机理。结果表明,在地效区内,下反前掠结构可以有效改善机翼绕流特性,抑制翼尖涡的形成和发展、增大了涡心距,起到增升减阻的效果,并且机翼越靠近地面,增升减阻的效果越明显。在此基础上,凹凸前缘可以进一步优化机翼绕流特性,降低翼尖涡强度,使诱导阻力减小。在小间隙比、小攻角工况中,带凹凸前缘的下反前掠结构的仿生翼具备最优的航行经济性。上述研究可为改善地效翼的飞行性能并促进地效翼设计理论的发展提供参考。

近平静/波浪水面地效飞机气动特性风洞试验

为研究波浪水面地效飞机气动特性的变化规律,在Φ3.2 m低速风洞开发了新的试验技术,以模拟地效飞机飞越1 m实际浪高水面时的气动特性。研制了具有一定上下升沉和前后平移行程的固定波浪地板,模拟螺旋桨带动力地效飞机在起飞、巡航、着水等状态飞经波峰、波谷、中立位置等相位时的气动性能。在现有水平活动地板基础上,采用在水平活动带表面设置2个周期波形的方式研制了活动波浪地板,通过活动波浪带的周期性循环运行,模拟地效飞机不断飞越波浪的情况,其模拟相似性更高,可以更加准确地模拟地效飞机与波浪之间的相对运动。利用固定水平地板、固定波浪地板和活动波浪地板装置模拟空中、近平静水面和近波浪水面飞行状态,获得了地效飞机无动力和螺旋桨带动力条件的气动特性风洞试验结果。研究结果表明:螺旋桨带动力和地板对地效飞机起飞和着水状态气动性能具有很强的耦合影响,并非简单的叠加关系;地效飞机在波浪的不同相位上方时,升阻性能和俯仰力矩均存在较强变化,影响飞行平稳性。

地面效应作用下翼尖涡特性的PIV实验研究

完成了NACA23012机翼地面效应条件下翼尖涡结构及升阻力特性实验。实验在拖曳水槽中模拟机翼的飞行状态,获得了在多种飞行高度、0°攻角时机翼在水平地面和正弦波浪地面附近的升/阻力、翼尖涡流场的变化规律,对比分析了水平地面和波浪地面附近翼尖涡速度、涡量分布的区别及其可能对机翼升/阻力造成的影响。实验结果表明:即使在正弦波浪地面附近,随着机翼逐渐靠近地面,升力逐渐减小至负升力,翼尖涡的强度亦发生相应变化;尤其是在小间隙比、负升力情况下,翼尖涡的旋转方向产生了改变;流场结构不仅受机翼距地面高度影响,也随着波浪地面与机翼瞬时所处位置构成的相对相位关系的不同而变化,并且涡量沿波浪地面运动的变化呈现周期性,但变化规律并不符合正弦周期,主要原因在于波浪地形与下翼面所构成的流道形状及狭窄程度的周期性变化对翼尖涡流场结构的发展和演化产生不同程度的抑制。

基于波状地面效应的自主运动仿生翼力学特性研究

自然界的生物可以利用地面效应获得的优良运动性能,受此启发,本文运用数值模拟研究了仿生翼在正弦波状地面下的自主运动。通过分析波状地面波长、翼型初始高度和俯仰周期对仿生翼性能的影响,深入分析了自主运动翼的位移、受力和绕流情况,揭示了波状地面效应下自主仿生翼的非定常涡度动力学。研究结果表明,当地面波长与仿生翼长度相同时,近地面的高频俯仰周期并不能使仿生翼获得最大的位移,适当的提高初始高度与俯仰周期能使仿生翼获得最佳升阻比。当地面波长增加为仿生翼长度的2倍时,大俯仰周期能使仿生翼获得最佳升阻比。

曲面附近的机翼地面效应和流场结构的实验研究

该文介绍了机翼在正弦曲面地形上方运动的升/阻力特性和翼尖涡结构的拖曳水槽实验结果,其目的是研究地形周期性变化对机翼地面效应的影响。实验在拖曳水槽底部铺设正弦曲面地板,当机翼掠过地面时,由天平测量机翼载荷,同时采用时间分辨PIV(TR-PIV)系统测量翼尖涡速度分布及其时间演化过程,并且与相应实验条件下水平地面附近的地效翼的数据进行了对比,以分析曲面对机翼升/阻力、流场结构及其相位特性受地形影响的规律和特点。实验机翼模型采用NACA4412翼型,机翼弦长C=100 mm,雷诺数范围为2.0×105~3.0×105。与水平表面的地面效应相比,曲面地形对机翼受到的升/阻力产生了额外的周期性扰动,随着机翼远离地面该扰动减弱,相位特性表明当机翼前缘到达曲面地形波峰上方时升力也达到最大值;机翼飞行高度较低时曲面地形使翼尖涡提前发生耗散并产生明显的展向位移,同时不同波浪相位处产生的翼尖涡结构及强度不同,波峰处翼尖涡强度最弱。在较大攻角下周期性曲面引起的地面效应具有更高的增升减阻效率。