格尼襟翼及其在旋翼飞行器中的应用研究

摘要

格尼襟翼是一种新型的微型流动控制装置，具有增升显著、构造简单、应用简便、可靠性高等优点。格尼襟翼的这些特点适合于在旋翼飞行器中使用，有利于缓解旋翼后行桨叶失速问题。本文针对格尼襟翼在不同流场状态下的气动特性开展了系统的研究，并基于CFD方法、理论模型研究了格尼襟翼对旋翼飞行器气动性能的影响，为自转旋翼和旋翼的构型优化设计提供参考。
　　建立了翼型加装格尼襟翼的气动分析模型，针对直升机翼型在低速和跨音速条件下加装格尼襟翼的的流场结构和气动特性开展了研究。研究表明格尼襟翼主要通过对翼型后缘边界层的介入来改变库塔条件，从而形成后缘涡系结构来影响宏观流场流态。针对翼型几何外形与襟翼后缘涡系结构的研究表明，翼型几何外形会影响格尼襟翼涡系的微观结构，翼型的弯度特性有可能是影响涡系形态的主要原因。在低速条件下格尼襟翼能够显著增大直升机翼型的升力系数，在中高升力系数时能提高翼型的升阻比。在跨音速条件下翼型环量的增大和上表面激波位置的推迟，是格尼襟翼增升的主要原因。研究明确了安装角度对格尼襟翼气动性能的影响几乎可以忽略，襟翼安装高度才是影响格尼襟翼的最主要参数，在主动格尼襟翼设计中，控制伸缩高度比控制倾角变化更为有效。
　　针对格尼襟翼低头力矩较大的问题，提出了两种襟翼改进方案并开展了数值分析研究。相比格尼襟翼，相同迎风高度的弧形襟翼升力基本不变、升阻比略有提高、低头力矩减小。双侧襟翼同样能减小低头力矩，但会增大迎风面积而不利于翼型的减阻。提出了应用于低雷诺数条件下的格尼襟翼/前缘襟翼复合增升构型，研究表明组合增升设计能够显著增大翼型的升力系数和升阻比。
　　开展了格尼襟翼在旋翼飞行器设计中的应用研究，建立了自转旋翼加装格尼襟翼的气动分析模型，在格尼襟翼的二维气动特性的研究基础上，分别研究了格尼襟翼的高度和展开位置对自转旋翼气动性能的影响，表明格尼襟翼降低了自转旋翼的稳定转速，减小了桨盘倾角，从而使旋翼的升阻比增大，1％c格尼襟翼的气动效率更高，在后行桨叶展开格尼襟翼能够更加有效地提高自转旋翼效率。发展了旋翼加装格尼襟翼的气动计算模型，针对格尼襟翼在小型无人直升机旋翼上的应用开展了研究，研究表明格尼襟翼能够降低桨盘上的叶素迎角，缓解旋翼后行桨叶失速。在大速度、大载荷状态下，格尼襟翼能够降低旋翼的需用功率。结合变转速技术，格尼襟翼能够有效补偿旋翼转速下降后的升力不足，大幅降低旋翼的需用功率。
　　还针对格尼襟翼在某些特殊条件下应用所面临的气动问题开展了研究，如低雷诺数问题、临近空间的低雷诺数、高马赫数问题等。研究表明格尼襟翼在低雷诺数下仍然具有显著的增升效果，在低密度条件下还能提高翼型的升阻比，有利于临近空间飞行器的增升减阻。

目录

声明

注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 格尼襟翼的研究概况

1.3 格尼襟翼研究的不足及拓展空间

1.4 本文的内容安排

第二章 格尼襟翼低速气动特性研究

2.1 数值计算模型

2.2 计算网格生成

2.3 算例验证

2.4 SC1095翼型加装格尼襟翼

2.5 翼型形状与格尼襟翼涡系结构

2.6 后缘弧形襟翼

2.7 双侧格尼襟翼

2.8 本章小结

第三章 格尼襟翼的低雷诺数气动特性

3.1 Eppler387翼型加装格尼襟翼的试验研究

3.2 Eppler387翼型加装格尼襟翼的流场模拟

3.3 小展弦比机翼加装格尼襟翼的试验研究

3.4 前缘襟翼/格尼襟翼复合增升构型

3.5 本章小结

第四章 格尼襟翼和Mini-TED的跨音速气动特性研究

4.1 算例验证

4.2 NACA8-H-12翼型

4.3 SC1095翼型加装格尼襟翼

4.4 Mini-TED跨音速气动特性

4.5 本章小结

第五章 自转旋翼加装格尼襟翼的气动性能研究

5.1 自转旋翼机

5.2 ZX-1型自转旋翼机设计参数

5.3 格尼襟翼气动力系数计算

5.4 自转旋翼气动模型

5.5 自转旋翼加装格尼襟翼的气动性能

5.6 格尼襟翼沿后行桨叶展开

5.7 格尼襟翼对旋翼机操稳特性的影响

5.8 本章小结

第六章 临近空间旋翼加装格尼襟翼的气动性能研究

6.1 临近空间飞行器

6.2 火星旋翼飞行器

6.3 格尼襟翼的低雷诺数、高马赫数特性

6.4 临近空间旋翼加装格尼襟翼的悬停性能

6.5 本章小结

第七章 格尼襟翼应用于无人直升机设计研究

7.1 T-300无人直升机

7.2 机身气动力计算

7.3 旋翼计算模型及算例验证

7.4 旋翼加装固定格尼襟翼

7.5 旋翼加装可展开格尼襟翼

7.6 格尼襟翼结合变转速技术

7.7 格尼襟翼结合变直径技术

7.8 本章小结

第八章 总结与展望

8.1 主要研究工作和结论

8.2 本文创新点

8.3 进一步研究工作展望

参考文献

致谢

学期间的研究成果及发表的学术论文