微型飞行器柔性翼气动及抗风特性研究

论文摘要

本文首先发展了一套适用于微型柔性翼低雷诺数气动计算的程序，基于此，本文广泛而细致的研究了微型固定翼飞行器二维、三维刚性翼的气动特性，并通过耦合考虑结构变形的影响，进一步研究了柔性翼的气动特性，得出的结论对微型飞行器的气动设计具有一定的指导意义。 在二维翼型计算方面，本文对XFOIL程序进行了改造和扩展，研究了在低雷诺数下刚性翼型的气动特性，以及固定转捩和来流湍流度的影响。在此基础上，本文提出一种翼型主动变形的方法，计算了在振荡来流下柔性翼型的气动特性，并和刚性翼型作比较，显示了可以适当变形的柔性翼型的气动优越性。 为了实现低雷诺数下三维机翼的定常与非定常气动计算，本文在课题组原有定常Navier-Stokes方程计算程序中加入了非定常、预处理等模块，使之能够适用于低速不可压流场计算问题，在此基础上研究了不同展弦比和弯度下机翼的气动特性及流场特点。 为了深入研究柔性翼气动和结构的耦合问题以及柔性机翼变形对微型飞行器气动性能的影响，本文采用了计算流体动力学（CFD）和计算结构动力学（CSD）相结合的方法，其中气动计算是求解施加预处理后的雷诺平均Navier-Stokes方程组，结构分析采用大型通用有限元求解器ANSYS，计算了不同展弦比和雷诺数下的柔性翼气动结构耦合效应，结果表明在迎角大于一定值时柔性机翼较刚性机翼有着明显的气动优越性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 微型飞行器气动特点概述
• 1.3 微型柔性翼气动力计算方法
• 1.3.1 柔性翼型的气动力计算
• 1.3.2 柔性机翼的气动力计算
• 1.3.3 带柔性机翼的全机气动力计算
• 1.4 本文主要工作
• 第二章 刚性和柔性翼型气动特性研究
• 2.1 XFOIL程序的特点及适用范围
• 2.2 刚性翼型的气动特点
• 2.3 低雷诺数下湍流度对翼型气动特性的影响
• 2.4 固定转捩对低雷诺数下翼型气动特性的影响
• 2.4.1 定常来流下的影响
• 2.4.2 水平振荡来流下的影响
• 2.5 柔性翼型的气动特性
• 2.5.1 水平突风下的气动特性比较
• 2.5.2 垂直突风下的气动特性比较
• 2.6 附图
• 第三章 基于预处理技术的三维 N-S方程数值求解
• 3.1 定常可压缩 N-S方程数值求解
• 3.1.1 控制方程
• 3.1.2 预处理矩阵及方程的特征系统
• 3.1.3 空间离散及人工粘性
• 3.1.4 时间推进
• 3.1.5 远场边界条件
• 3.1.6 加速收敛措施
• 3.2 非定常可压缩 N-S方程数值求解
• 3.2.1 控制方程
• 3.2.2 预处理矩阵
• 3.2.3 时间推进
• 3.2.4 远场边界条件
• 3.2.5 几何守恒定理
• 3.3 流场计算方法验证
• 3.3.1 低雷诺数不可压流计算
• 3.3.2 亚音速流计算
• 3.3.3 非定常流计算
• 3.4 附图
• 第四章 小展弦比薄机翼气动特性研究
• 4.1 矩形薄机翼的翼型及网格
• 4.2 低雷诺数下小展弦比薄机翼的流场特性
• 4.3 展弦比对机翼气动力特性的影响
• 4.4 弯度对机翼气动力特性的影响
• 4.5 附图
• 第五章 柔性机翼气动结构耦合分析
• 5.1 流体结构耦合计算流程
• 5.2 柔性机翼的结构建模
• 5.2.1 柔性机翼的几何特征和材料属性
• 5.2.2 柔性机翼模型的建立
• 5.3 不同刚度柔性机翼的计算结果
• 5.4 不同展弦比柔性机翼计算结果
• 5.5 相同展弦比，不同来流速度下的计算结果
• 5.6 附图
• 第六章 工作总结与展望
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 下一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 论文发表及获奖情况
• 发表论文:
• 获奖情况: