低雷诺数下微型飞行器柔性翼型气动特性数值分析

摘要

微型飞行器(Microairvehicles，简称MAVS)的概念自上世纪九十年代初由美国兰德公司(RANDCorporation)在一次未来军事会议上提出之后，凭借其小尺寸、高隐身性、低成本等普通飞行器所不具备的特殊优势，在国家安全、经济建设和社会发展等众多领域发挥着重要的作用。然而，由于微型飞行器的尺寸小，飞行速度低，导致其巡航雷诺数远低于普通飞行器的巡航雷诺数，其气动性能也随之变差。同时，由于微型飞行器的飞行速度与风速处在同一量级，极易受到阵风环境变化的影响，很难像常规大尺寸飞行器那样保持稳定和相对持久的飞行能力。因此，如何提高微型飞行器在低雷诺数下的气动性能，已经成为当前国际上研究的热点和难点。本文以微型飞行器的气动外形新概念设计与优化为研究背景，借助仿生学原理和柔性翼型新概念，通过数值求解非定常Navier-Stokes方程，对柔性变形翼型的气动性能进行了数值分析。 本学位论文工作的主要结果为：(1)发展了一套计算二维非定常粘性绕流的数值计算程序。空间离散采用中心有限体积法，时间离散应用了双时间推进方法。针对本文的研究背景，程序中包含了变形网格技术以及相应的几何守恒处理等手段。该程序为后续分析非定常流动环境中柔性变形翼型的绕流特性提供了一个良好的数值计算平台。 (2)根据仿生学原理，充分借鉴海洋中海豚等动物柔性表皮在游动时作波浪状运动得以减阻的现象，将柔壁行波模型运用到固定翼式微型飞行器的弯曲板翼型上。适当选取行波参数(包括波幅、波数以及相速度等参数)后，结果得到：柔壁行波翼型较原刚性翼型不仅在阻力方面有所减小，升力也得到了一定程度的提高，相应的升阻比在攻角α=15°时提高了约35％。其改善气动特性的物理机理可以解释为：行波翼面在流动过程中捕捉到的一列较稳定的小尺度涡结构在翼型表面与来流之间形成了“流体滚轴效应”，使流体与固壁之间的滑动摩擦变成了一种虚拟的滚动摩擦，达到了减小阻力和抑制大尺度流动分离的作用。 (3)借用柔性翼型的概念，提出了通过适当增加翼型弯度来弥补由于攻角减小而造成的翼型升力损失的主动控制手段。计算结果表明，在翼型攻角变化过程中，对翼型弯度作适当调整后，变形翼型升力的波动幅度较刚性翼型减小了近27％，适当调整翼型弯度能够有效地减小微型飞行器在非定常流动条件下气动性能参数大幅度波动的现象，改善飞行器对于非定常流动环境的敏感程度。 本文的工作对于微型飞行器翼型气动性能的改善有明显效果，同时对于进一步研究柔性机翼在微型飞行器设计中的应用提供了理论基础。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及本论文使用授权说明

第一章绪论

§1.1微型飞行器研究现状

§1.2微型飞行器的应用背景

1.2.1军用方面

1.2.2民用方面

§1.3微型飞行器微型化所面临的技术挑战

§1.4低雷诺数空气动力学特性

1.4.1流动分离

1.4.2分离泡

1.4.3小展弦比

§1.5抗干扰稳定飞行

§1.6柔性机翼的应用

1.6.1被动变形柔性机翼

1.6.2主动控制柔性机翼

§1.7微型飞行器计算流体力学

§1.8本文研究内容

第二章描述流场的控制方程与数值分析方法

§2.1流场控制方程

2.1.1雷诺输运方程

2.1.2 Lagrange型基本方程

2.1.3 Euler型基本方程

§2.2物理域与计算域

§2.3边界条件

2.3.1物面边界条件

2.3.2远场边界条件

§2.4空间离散

§2.5湍流模型

§2.6人工耗散

§2.7隐式时间推进

§2.8变形网格技术

§2.9几何守恒法则

第三章微型飞行器柔壁行波翼型的应用

§3.1仿生学概念

§3.2柔壁行波概念

§3.3算例分析

3.3.1算例(一)

3.3.2算例(二)

§3.4结果分析

§3.5本章小结

第四章微型飞行器变弯度翼型的气动特性

§4.1飞行器的流动控制

§4.2柔性翼型的提出背景

§4.3翼型基本参数

4.3.1前缘与后缘

4.3.2翼弦与中线

4.3.3厚度与弯度

§4.4翼型气动性能参数

§4.5平直板翼型

§4.6弯曲板翼型

§4.7翼型弯度及其对升力阻力的影响

§4.8算例分析

4.8.1算例模型的提出

4.8.2算例(一)

4.8.3算例(二)

§4.9本章小结

第五章结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文