变后掠飞行器非定常气动力数值仿真研究

摘要

自然界当中的昆虫、鸟类能够在飞行中改变自身的外形以适应外界环境的变化,这给予我们一定的启示,于是有人提出了可变形飞行器的概念。现如今,借助于流体力学,材料与结构力学和控制技术的不断发展,这种想法逐渐变得可行。与传统的飞行器相比,可变形飞行器能够根据任务的要求和外界环境的变化改变自身的外形,使其气动性能保持最佳。目前美国和欧洲对于可变形飞行器研究较多,国内的研究还处于起步阶段。例如美国国防先进研究项目局(DARPA)开展的变形飞机结构(MAS)项目当中,洛克希德·马丁公司提出的折叠翼无人机方案,其在飞行过程中可以根据飞行环境和任务的变化折叠机翼,从而大幅改变无人机的后掠角、机翼面积等参数,以获得较高的飞行效率。从以上叙述可知,飞行器的变形是一个连续的过程,变形期间可能存在着复杂的非定常气动力,若对于变形过程中的非定常气动力不研究清楚,控制系统的设计将很难进行。因此,本文的目的在于建立一种变后掠飞行器非定常气动特性的数值仿真方法,并分析计算机翼变形过程中的非定常气动力,从而为控制系统的设计提供数据与建议。
　　本次研究采用商用流体力学分析软件FLUENT,利用其二次开发功能,编写出描述机翼运动过程的用户自定义函数,将其嵌入软件进行非定常计算。首先选用两个标准算例进行了定常与非定常数值计算,结果表明本文所采用的求解方法具有可行性与较高的精度;接着分别求解了变后掠飞行器柔性偏转方式和刚性偏转方式下的定常气动特性,计算结果表面柔性偏转方式的气动特性优于刚性偏转方式,因此接下来选用柔性偏转方式进行非定常气动力的求解;此后,分别对三种不同周期下线性变后掠方式和余弦变后掠方式的非定常气动特性进行了仿真,仿真结果表明非定常气动力与定常气动力的最大差异小于7％,且非定常气动力产生的原因在于机翼的附加速度,与流场结构迟滞无关。最后为控制系统的设计给出了建议,并指出了今后的研究方向。

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缩略词

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外变体飞行器研究现状

1.3 非定常数值计算的研究进展

1.4 本文的工作

第二章 非定常数值计算方法

2.1 计算流体力学与FLUENT简介

2.2 流动控制方程

2.3 湍流模型

2.4 离散方法

2.5 数值计算方法的验证

2.6 本章小结

第三章 变后掠飞行器典型状态的定常计算

3.1变后掠飞行器几何模型与变形方式

3.2两种变后掠方式典型状态下的气动特性

3.3 两种变后掠方式气动特性差异与分析

3.4 本章小结

第四章 飞行器线性变后掠过程的非定常计算

4.1 线性变后掠规律设计

4.2 线性变后掠过程的非定常计算

4.3 定常与非定常计算结果的对比与分析

4.4 非定常气动特性形成机理分析

4.5 本章小结

第五章 飞行器余弦变后掠过程的非定常计算

5.1 余弦变后掠规律设计

5.2 余弦变后掠过程的非定常计算

5.3 定常与非定常计算结果的对比与分析

5.4 非定常气动特性形成机理分析

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文