基于涡系作用的大型客机后体减阻机理研究

摘要

大型客机减阻是一项永恒的话题，而在大型客机中阻力的主要产生部件为翼尖处及机身后体部分，较大上翘角后体导致的阻力占全机阻力30%-50%，有效减小后体阻力对于大型客机减阻来说意义重大。本文针对大型客机减阻，尤其是后体部分减阻问题，基于后体脱体涡系与尾翼翼尖涡相互作用，研究后体部分流动结构与致力机理，为大型客机后体减阻乃至其它部件减阻提供理论支撑。
　　本文首先对三维流场中基本的涡系结构（涡环）进行研究，研究多个涡环之间的相互作用机理及对非定常力影响。本文建立了基于拉格朗日相关结构（LCS）的多涡系结构捕获方法，发现涡环相互作用存在三种现象：涡环穿越、涡环合并（由结构破坏导致、由自身形变导致）和涡环分离，以及不同现象对应非定常力有明显增加或下降。进一步研究表明，在涡环相互作用中除了生长时间以外，还存在其他时间尺度来共同决定涡环的致力机理，因此本文提出了两种时间尺度（生长时间和相互作用时间）概念共同决定涡相互作用中的非定常力的变化趋势。较小生长时间下，平均力随相互作用时间的增大而减小，在较大生长时间下，无论瞬时力或最终平均力均受到不同程度的削弱。
　　本文建立涡相互作用模型，并发现射流和绕流涡系结构具有统一的物理结构和物理特征，以上对涡环相互作用的研究可以指导后体多涡系相互作用下的致力机理研究。通过 LCS方法分析发现单独后体涡系结构中后体启动涡、后体尾涡和后体附着涡三个部分构成一个完整的涡环结构，其演化过程可由生长时间进行表征。该涡环结构与平尾翼尖涡在后体尾涡部分发生明显的相互作用机制，并对阻力有明显影响。基于涡相互作用机制，设计减阻效果好的后体布局其平尾翼尖涡与后体尾涡部分会发生周期性旋转，导致涡生长得到抑制，从而致使平均阻力的下降。
　　针对大型客机的减阻机理，本文基于多涡系的相互作用研究，建立了双时间尺度的非定常力分析模型，对减阻的设计具有较强的指导意义。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2国内外研究现状与存在问题

1.3本文主要研究思路和研究内容

第二章 流场测量及流动结构捕获方法

2.1涡运动机理探究实验方法

2.2低速风洞实验方法

2.3有限时间的李雅普诺夫指数场（FTLE）和拉格朗日相关结构（LCS）

2.4本章小结

第三章 基于涡环的多涡系相互作用非定常致力机理

3.1实验设计

3.2多涡环相互作用现象

3.3多涡环生长过程

3.4相互作用时间尺度

3.5相互作用时间与瞬时力关系

3.6相关结构

3.7本章小结

第四章 后体多涡系的相互作用及致力机理研究

4.1剪切和绕流涡环统一性研究

4.2后体绕流实验设计

4.3机身后体涡系结构生长及演化过程

4.4后体平尾翼尖涡与底部涡系结构相互机制

4.5后体多涡系结构及致力研究

4.6本章小结

第五章 总结与展望

5.1本文主要工作与创新点

5.2研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已完成论文及专利