微型飞行器机翼三维非定常流场的数值研究和气动优化

论文摘要

微型飞行器自20世纪90年代提出来以后,因为其尺寸小、不易被发现、便于携带等普通飞行器不具有的独特优势,在军用和民用等领域发挥重要作用。然而,由于微型飞行器在105量级的低雷诺数环境飞行,其气动力学特性和常规飞行器大不相同而成为国际上气动力学研究的热点和难点。本文以固定翼式微型飞行器的气动设计为研究背景,针对其小展弦比机翼低雷诺数流动的特点,数值研究了微型飞行器三维非定常流场的流动特征,以及机翼周围的层流/湍流分离现象。用三维不可压缩Navier-Stokes方程来描写薄翼附近的三维流动,数值模拟采用了人工压缩方法,湍流模型采用Baldwin-Barth一方程模型。考虑了微型飞行器机翼的展弦比、弯度、翼面形状、前缘形状等气动外形参数对流场的影响。研究结果表明:在-12°≤α≤12°的攻角范围内,使用齐默曼翼面、采用上斜的15°尖形前缘、或者翼型弯度在4%左右都能使微型飞行器机翼获得优良的升阻比。这些物理参数直接影响了沿薄翼的附面层发展,改变了薄翼表面附近的流场结构,改善了分离泡的形成与发展,从而使薄翼的升阻比提高了26%～68%。将遗传算法和Navier-Stokes方程数值模拟相结合,率先应用到微型飞行器机翼的三维气动布局优化分析中,编制了相关优化程序,得到了符合气动优化布局的三维机翼外形。遗传算法的小种群设计,大大减小了由反复求解三维Navier-Stokes方程带来的计算代价。多峰函数的测试结果表明,该优化模型能以较高的效率搜索到全局最优值。机翼的优化结果表明:8个设计点的升阻比均提高30%以上,尤其在2°攻角,升阻比提高2倍;优化翼型的前缘钝、尾缘弯,弯度增大,升力系数提高;优化机翼的展弦比为1.2左右;优化翼面为接近椭圆的齐默曼形状。成功实现了在低雷诺数下微型飞行器机翼附近三维非定常湍流流场的数值模拟,讨论了齐默曼薄翼的静态失速过程,揭示了翼面形状是影响小展弦比机翼三维非定常分离流动的重要因素。计算结果较准确地估算了失速附近的升阻力系数、捕捉到机翼的失速特征和升力系数的迟滞现象,发现翼面形状是影响升力系数迟滞类型的重要物理参数。其中,反齐默曼机翼具有较大的最大升力系数,没有明显的失速迟滞发生,失速攻角比椭圆机翼延迟约4°,可以作为微型飞行器机翼的理想翼面形状。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 微型飞行器的提出
• 1.2 微型飞行器的发展和研究现状
• 1.2.1 世界范围内的微型飞行器研究热潮
• 1.2.2 微型飞行器的研究现状
• 1.3 固定翼微型飞行器的空气动力学特性
• 1.3.1 翼尖涡
• 1.3.2 分离泡
• 1.3.3 雷诺数对微型飞行器气动性能的影响
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 低雷诺数下三维机翼绕流的数值方法
• 2.1 有限翼展理论
• 2.2 数值方法
• 2.2.1 控制方程
• 2.2.2 时间离散
• 2.2.3 空间离散
• 2.2.4 湍流模型
• 2.2.5 边界条件
• 2.3 计算网格的生成
• 2.3.1 无限插值法
• 2.3.2 双曲型方程法
• 2.3.3 基于迎风格式的双曲型网格生成方法
• 2.3.4 网格生成算例
• 2.4 小展弦比矩形薄翼的数值模拟
• 2.4.1 矩形薄翼的计算网格
• 2.4.2 计算结果和讨论
• 2.5 小结
• 第三章 气动外形参数对小展弦比薄翼三维流动特性的影响
• 3.1 展弦比对微型飞行器薄翼气动特性的影响
• 3.1.1 计算网格的生成
• 3.1.2 计算结果与讨论
• 3.2 翼面形状对微型飞行器薄翼气动特性的影响
• 3.3 前缘形状对微型飞行器薄翼气动特性的影响
• 3.4 弯度对微型飞行器薄翼气动特性的影响
• 3.5 小结
• 第四章 基于遗传算法的微型飞行器三维机翼的气动力优化设计
• 4.1 优化设计方法概述
• 4.2 遗传算法的基本原理和方法
• 4.2.1 微型飞行器机翼的优化模型
• 4.2.2 遗传算法的性能评估
• 4.3 微型飞行器机翼的优化流程
• 4.3.1 优化流程图
• 4.3.2 微型飞行器优化算法的性能测试
• 4.4 微型飞行器翼型的优化
• 4.4.1 翼型的几何表示
• 4.4.2 设计变量和约束
• 4.4.3 翼型的优化结果及讨论
• 4.5 微型飞行器三维机翼外形的优化
• 4.5.1 设计变量和约束
• 4.5.2 三维机翼外形的优化结果及讨论
• 4.6 小结
• 第五章 微型飞行器机翼三维非定常流场的数值研究
• 5.1 数值方法
• 5.1.1 控制方程
• 5.1.2 时间和空间离散
• 5.1.3 初始条件和边界条件
• 5.2 NACA0012翼型非定常流场的数值计算
• 5.3 翼面形状对微型飞行器机翼静态失速特性的影响
• 5.4 小展弦比薄翼的失速研究
• 5.5 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 主要创新点
• 6.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 攻读博士学位期间参加的科研项目