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【6h】

紧密编队飞行涡流减阻机理及队形参数优化研究

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摘要

第1章 绪论

1.1 编队飞行研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要工作

第2章 数学模型

2.1 旋涡模型

2.1.1 二维位势涡

2.1.2 兰金复合涡

2.1.3 奥森涡模型

2.1.4 其他涡模型

2.2 上洗数学模型

2.3 模型验证

2.4 心本章小结

第3章 数值模拟

3.1 数值方法

3.1.1 方法介绍

3.1.2 方法验证及尾涡演化

3.2 编队流场分析

3.2.1 尾涡与僚机的相互作用

3.2.2 位置影响

3.3 本章小结

第4章 参数优化

4.1 动网格方法

4.2 Kriging模型

4.3 EGO优化方法

4.4 队形参数优化

4.5 位置稳定性分析

4.6 本章小结

第5章 风洞实验

5.1 实验介绍

5.2 测力实验

5.3 PIV实验

5.4 本章小结

第6章 总结

6.1 工作总结

6.2 进一步工作展望

参考文献

附录

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

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摘要

编队飞行是自然界中大型鸟类在长途迁徙中常用的方式。人类很早就注意到了这一现象,早在一个世纪前,国外学者就使用升力线理论对三只鸟的编队飞行做了分析,指出鸟类编队飞行具有空气动力学上的优势。随着科学技术的发展,编队飞行在人类飞行活动中出现得越来越频繁,如战斗机编队飞行,运输机编队飞行。最典型的编队飞行方式是空中加油过程。在日益追求燃油经济性和环保性的今天,除了不断提高飞机的气动性能外,人们将目光转向了仿生学——利用编队飞行进行节能和增加航程。国外在这方面进行了许多理论和实验研究,主要是线性理论分析和位势流计算、低速风洞实验以及飞行实验,对编队飞行的减阻机理有了较深的认识。但目前国内这方面的研究还较少,主要集中在编队飞行控制方法研究方面,使用的是位势流模型,对编队飞行的减阻机理研究较少,编队队形参数的获取也十分粗糙。
  本文研究了长机尾涡流与僚机的气动耦合作用,深入分析了编队飞行对僚机的减阻机理;建立僚机气动力系数的响应面模型,以僚机相对长机的位置参数为自变量,以僚机的升阻比为目标函数,对僚机位置参数做优化研究;利用响应面模型分析了位置参数对僚机升阻比的影响,在典型站位进行了位置参数的稳定性分析;开展了低速风洞测力实验和PIV流场测量实验,对位置参数的影响规律进行了验证。主要内容如下:
  1.用位势流的方法,将长机的尾涡流简化为一对向内反向旋转的半无限长涡丝,以僚机相对长机的位置参数为自变量,采用奥森涡模型计算僚机位置的诱导速度,获得僚机的有效迎角,建立僚机升力、阻力增量模型。通过该模型分析了位置参数对升力和阻力的影响,并与文献实验结果进行了比较。
  2.利用CFD方法对飞翼构型的单机尾涡流演化过程进行研究,分析其尾涡流的特点。在此基础上,对飞翼构型的三机领头模式编队飞行做气动耦合计算,探讨编队飞行的减阻机理。
  3.采用网格变形技术实现队形参数的改变,建立僚机气动力系数随位置参数变化的Kriging响应面模型,利用基于EI函数的EGO优化方法寻找僚机气动性能最佳的位置,基于Kriging模型对僚机的位置参数影响规律及位置参数稳定性作了分析。
  4.开展飞翼构型的低速风洞编队飞行测力实验和PIV流场测量实验,研究位置参数的影响规律,验证数值计算的分析结果。

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