低速无人机动态气动特性数值模拟及布局研究

论文摘要

无人机以其价格低廉、结构轻便等特点在战场态势感知、灾区搜救等军民领域得到了广泛应用。近年来各种性能不同的新型机种不断涌现,其中低速无人机以其独特优势而得到了较快的发展。在对无人机气动布局进行设计时,快速的获取无人机稳态及动态气动参数对于其控制、品质分析有着重要意义,因此如何更好的利用计算流体力学技术高效低成本的获取无人机气动特性成为了当前研究的热点。本文将以低速无人机作为主要研究对象,稳态及动态气动参数的快速获取为主要研究内容,做以下几个方面的研究工作:(1)调研多种低速无人机并分析此类无人机的特点,从流动的角度对本文研究对象作界定,总结了计算流体力学技术对于低速无人机在稳态及动态气动特性获取方面的发展及研究现状。(2)利用当前应用广泛的湍流模型,对雷诺数为3×105时翼型绕流流场进行了数值模拟,并将仿真结果同风洞实验数据对比,评价湍流模型对低雷诺数流动的模拟能力。基于对翼型阻力计算不准原因的分析,提出了一种基于Michel转捩判据的数值模拟方法,分别从分离泡现象、翼型壁面附近的摩阻分布、翼型阻力系数这四个方面与Selig的风洞数据对比,结果表明该方法可以较好的模拟低雷诺数流场。(3)基于VBS脚本语言和涡格法代码对无人机进行配平及静稳定性分析,通过计算快速确定平飞状态各升力部件初始安装角,根据最终外形利用CFD技术对于全机粘性流场进行仿真,得到了无人机全机稳态气动特性,修正无粘估算结果。(4)基于Etkin线性化理论推导了多攻角下无人机俯仰及滚转稳定性导数的计算方法,并在理论上验证了其可行性,又通过多个算例全面验证了CFD技术对动态问题的数值模拟能力,并对动导数计算过程中的参数影响进行了分析,最终计算了全机稳定性导数。(5)最后将本文建立的基于CFD手段获取气动特性的方法用于飞行器气动布局设计中,探索设计了一种低速飞翼布局无人机,并对其配平及稳定性问题进行分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 低速无人机
• 1.2 背景意义及其研究现状
• 1.2.1 低速无人机发展概述
• 1.2.2 气动布局研究的意义
• 1.2.3 动导数研究意义及现状
• 1.3 本文研究主要内容
• 第二章 低雷诺数流动及流场数值模拟
• 2.1 低雷诺数空气动力特征及其研究难点
• 2.2 定常/非定常流场数值计算方法
• 2.2.1 控制方程
• 2.2.2 方程的离散与求解
• 2.3 湍流模型
• 2.4 网格技术
• 2.5 数值仿真验证算例
• 2.5.1 计算对象及网格
• 2.5.2 结果与分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 低速无人机定常流场数值模拟
• 3.1 考虑转捩的仿真方法建立
• 3.1.1 转捩点预测
• 3.1.2 层流湍流的处理
• 3.2 算例计算及结果分析
• 3.2.1 平板层流流动和湍流流动
• 3.2.2 E387（E）翼型分离泡及壁面摩阻
• 3.2.3 小展弦比大攻角NACA0012机翼流场
• 3.3 气动布局分析及配平
• 3.3.1 常规气动布局
• 3.3.2 纵向配平及静稳定性分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 低速无人机动态气动特性分析
• 4.1 动导数
• 4.1.1 俯仰动导数计算
• 4.1.2 滚转动导数计算
• 4.1.3 动导数计算方法的可行性分析
• 4.2 动态失速问题的动态特性算例验证
• 4.2.1 低雷诺数平板的俯仰振动
• 4.2.2 二维翼型动态失速算例
• 4.2.3 三维机翼动态失速算例
• 4.3 动导数数值计算的参数研究
• 4.4 动导数的数值计算
• 4.5 本章小结
• 第五章 飞翼布局无人机设计
• 5.1 无扭转飞翼布局飞机设计及气动特性分析
• 5.1.1 飞翼布局飞行器几何外形
• 5.1.2 AVL配平及静稳定性分析
• 5.2 带扭转飞翼布局飞机设计及气动特性分析
• 5.3 带扭转的飞翼布局飞机CFD计算
• 5.3.1 Pro/E中建模
• 5.3.2 网格模型
• 5.5.3 CFD计算
• 5.4 本章小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果