建立了“拍动+内折叠+外折叠+扭转”的三段式扑翼模型,运用流体仿真软件XFlow进行低雷诺数下的气动仿真,获得了折叠角个数,外折叠角折叠位置、内外折叠角幅值、机身迎角等因素对扑翼飞行器气动特性的影响。研究发现内折叠角是升力和推力改变的主要因素,而外折叠角对升力有小幅增益,对推力几乎无影响。为扑翼飞行器的进一步研究提供理论支持。

为发展一型适用于高空低雷诺数流动的风扇/增压级部件,解决高空长航时无人机动力对部件的技术需求,针对高空低雷诺数下的风扇/增压级进行了气动设计,设计过程包含了一维热力计算、S2通流设计、叶片造型设计和三维数值计算分析。经过多轮设计迭代后,得到了适用于高空低雷诺数条件下的最优叶型。三维数值计算结果表明:风扇/增压级的内、外涵性能都达到了设计指标的要求,且在高空低雷诺数下有较高的稳定裕度。与现有发动机风扇部件性能进行对比得出:新设计的风扇/增压级具有较好的高空工作能力,可以满足总体对风扇/增压级的性能需求。

深入研究低雷诺数滑流对机翼的影响,能够推进临近空间低速流动机理性研究,提供可靠的气动参数。参考某太阳能无人机,建立单螺旋桨计算模型,采用两叶螺旋桨,通过ICEM网格软件生成具有两个计算域的高质量结构网格,应用滑移网格边界条件,对模型进行数值模拟;分析低雷诺数螺旋桨滑流的发展和机翼在滑流作用下的非定常气动特性,研究不同螺旋桨位置对机翼气动特性的影响,计算结果表明螺旋桨滑流会很大程度地改变机翼表面压力分布和沿翼展的升力分布,对机翼升阻特性有显著影响,同时螺旋桨滑流可以抑制机翼表面层流分离泡的产生。

临近空间长航时太阳能无人机作为探索临近空间的重要飞行器,在气动设计与布局形式、气动性能及技术上均呈现出不同于传统飞行器的新特点。为开展更为深入的研究,本文梳理了目前临近空间长航时太阳能无人机气动布局的研究现状,在此基础上对其低雷诺数、高升力及气动结构耦合等气动设计难点问题进行了阐述,并展望了临近空间长航时太阳能无人机的发展趋势。

采用表面测压技术,测量了低雷诺数下(Re=6.0×104、1.0×105、2.0×105) S1223翼型的表面压力分布,通过时均化处理及瞬态处理方法,分别获得了翼型稳态和瞬态压力系数、升力系数,分析了流场结构随雷诺数及攻角的变化规律,研究了雷诺数及攻角对翼型升力的影响机理。结果表明,从时均升力系数随攻角的变化规律来看,S1223翼型在低雷诺数下存在"静态滞回"效应。攻角由负逐渐增大至0°时,下翼面由完全分离转变为出现层流分离泡,随后分离泡逐渐减小直至消失,导致升力系数斜率呈现随攻角逐渐增大的非线性现象。当攻角超过临界攻角后,不同雷诺数下翼型流场结构随攻角的变化规律存在本质不同,Re=6.0×104和1.0×105时,翼型周围流场迅速发生大范围流动分离,升力系数迅速减小;而Re=2.0×105时,上翼面周期性生成短泡,引发低频振荡现象,升力系数呈现准周期性变化,α=16°...

以分布式动力垂直起降(VTOL)飞行器起降时的复杂流场研究为背景,对低雷诺数条件下来流湍流度/湍流梯度对翼型的气动特性影响进行了研究。采用C型结构网格及γ-[AKR~]eθt转捩模型求解非定常雷诺平均Navier-Stokes(URANS)方程的方法,对NACA0012翼型在不同湍流度/雷诺数下的气动特性进行了研究,并与实验值进行对比,验证了计算方法的可靠性。研究了不同湍流度、雷诺数及湍流度梯度对翼型气动特性的影响,分析了其对翼型绕流转捩过程产生影响的机理。研究表明,处于较高湍流度或雷诺数的翼型绕流流动特征更加稳定,分离泡尺度更小,流动分离有所推迟,失速迎角更大,但是二者对转捩提前作用的机理不同;湍流度梯度对翼型的气动影响受到雷诺数及湍流度大小的限制,处于较高湍流度梯度的翼型绕流在流动分离、转捩及再附方面均得到了提前;层流分离泡的产生...

通过采用计算流体力学方法对不同相对厚度的椭圆翼型在低雷诺数范围下进行了数值模拟,研究了椭圆翼型在低雷诺数下的层流分离现象及流场结构.结果表明在低雷诺数下,薄椭圆翼型在小攻角时前缘出现层流分离泡是其具有高的升力系数及升阻比的原因,随厚度的增加,前缘层流分离泡逐渐消失,在后缘形成时均小泡.随着雷诺数升高,薄椭圆翼型时均分离泡都出现在前缘,但外形缩小,而在较低雷诺数下,薄椭圆翼型小攻角时没有发生转捩再附现象;同时层流分离泡的出现也对翼型后缘分离涡的尺寸和位置产生了重要影响.相对厚度和雷诺数通过影响椭圆翼型上表面层流分离泡的尺寸、位置以及后缘分离涡的形态结构,进而改变了气动特性.

临近空间飞行器和火星探测飞行器首要面临低雷诺数、跨声速的特殊气动问题,针对此特殊环境下低雷诺数翼型的格尼襟翼增升方案,基于CFD方法开展了数值计算研究。对不同雷诺数、马赫数条件下,后缘加装不同高度格尼襟翼的Eppler387翼型的气动特性进行了对比分析,结果表明格尼襟翼增大了翼型的前缘吸力和后缘压差,从而显著增大了翼型环量和升力。在较高的马赫数下,格尼襟翼使翼型上表面低压区的范围扩大,对激波位置略有推迟。合适高度的格尼襟翼提高了翼型的最大升阻比,在中高升力系数下能够明显增大翼型的升阻比。研究结果能够为临近空间飞行器和火星探测飞行器的设计及改进提供技术支持。

针对太阳能-锂电池混合动力微型无人机低雷诺数、巡航速度范围大的问题，对可能使用的翼型进行数据拟合，统计并建立雷诺数与翼型阻力关系函数，得出低雷诺数对气动力影响的计算方法，同时进行尾翼配平阻力计算，修正巡航速度变化对气动力的影响。通过FLUENT仿真及实际飞行测试，验证了该计算方法的可行性。

根据旋翼在低雷诺数下的气动特点，发展了一种基于遗传算法的低雷诺数旋翼翼型多目标优化设计方法。采用Hicks—Henne函数对翼型进行参数化处理。根据实际工况，建立旋翼翼型气动优化的数学模型。使用遗传算子与目标函数自适应方法，解决了翼型集在优化后期无法持续优化的问题。以NACA0012作为优化基准翼型，在满足预定约束的情况下，优化后的翼型相比基准翼型气动性能有较大幅度提高，符合预定的优化目标。