大迎角倾转下双翼气动特性和流场的数值模拟研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wrothnpc
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现代飞行器为了适应多变的应用场景,结构和性能设计也相应地追求轻量化、高机动性、快速等优点,其中垂直起降功能备受学术界和工业界青睐。双翼垂直起降无人机正是融合了垂直起降模式,并兼顾固定翼的快速巡航飞行特点而设计的一款新型复合翼飞行器,它包括了垂直起飞、倾转过渡、巡航和垂直降落四种模态。尤其在倾转过渡模式中,双翼将遭遇大迎角不稳定流动,会导致双翼气动特性高度非线性问题凸显,并往往引起更严重的气动弹性问题比如抖振和锁频现象,降低飞行性能甚至造成结构损坏。虽然翼型在大迎角条件下的流动研究得到了诸多关注,但是双翼构型又引入了翼间气动干扰,其大迎角流动问题的诱发机理将更加复杂,目前依然没有合理的解释。出于对该款飞行器型号设计和使用稳定性的考虑,本文从二维双翼的大迎角不稳定流动的数值仿真出发,基于U-RANS方法,利用ANSYS-Fluent中的湍流模型模拟NACA 0012双翼的倾转过渡模式,分别对其在不同间距比条件下的稳态和瞬态气动特性进行计算和分析,并研究了抖动双翼的极限环分布和锁频现象,从流场细节解释了双翼升力系数变化的流动机制,建立了双翼倾转过渡有效迎角的积分方程。论文主要研究内容如下:(1)开展了大迎角范围内(30°~90°)多种间距比条件下二维双翼稳态气动特性的数值计算,并基于仿真数据进行了分类讨论。计算分析了平均气动力系数变化规律,以及升阻力的瞬时波动特点,并广泛深入地研究了不同间距比对双翼部分和整体非定常气动特性的潜在影响。另外,针对流动结构特别是尾流场的分布进行了系统研究,根据后缘涡产生和演变过程进行了细致归纳分类:融合涡、过渡涡和同脱涡。其中间距比λ=1.5下较好的升阻比以及快速的波动收敛,使其极可能成为双翼构型最好的翼间距选择。(2)大迎角是双翼抖振的主要来源。研究了间距效应和雷诺数效应对双翼抖振频率分布的影响,预测的最佳间距比条件与(1)近似,而雷诺数适当增加则有利于削弱抖振。定性分析了上、下翼型驻点区的分布规律,进一步解释了静态翼型的抖振特点。对于小幅抖动双翼来说,展示了双翼两部分的极限环在不同间距比条件下的分布,发现了上翼型8字形极限环的流场演化。还有,对于跳动现象的出现和消失进行了快速傅里叶变换分析,并绘制了双翼对应于不同间距比的V形锁频区域。(3)揭示了支点位置对双翼瞬态气动性能的作用,考虑大幅度俯仰运动的上、下冲程来模拟双翼倾转过程,找到了各过程中升力系数最优的支点位置。还分析了同迎角在上、下冲程中的流场变化,提出了支点愈靠后流场愈滞后的观点。并且,基于此观点给出了双翼有效迎角的积分形式并验证了其合理性。以上研究加深了对双翼倾转过渡模式中复杂非定常流动问题的理解和认识,将为工程实际中双翼的控制优化提供理论指导。(4)进行了最优间距比λ=1.5条件下双翼从垂直起飞到水平巡航(第一倾转过渡)和从水平巡航到垂直降落姿态(第二倾转过渡)两个情景的数值仿真。设计了四分之一圆环形状的双翼飞行轨迹,使双翼在均匀自由流场中做匀速或加速圆周运动,比较了不同情况下的尾流涡场变化,并绘出了上、下翼型的升力系数曲线以及双翼总升力系数。还特别关注到脱落旋涡转变为稳定尾迹的临界状态。
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