为满足高超声速飞行器在概念设计和优化设计中对气动力快速计算的需求,基于C/C++研究和开发了高超声速飞行器的气动力快速计算程序。使用该程序对HL-20升力体和双椭球模型的气动力特性进行计算,将计算结果与风洞实验数据进行对比分析。结果表明,计算结果与风洞实验数据吻合良好,该程序能够准确计算高超声速飞行器的升阻特性。通过修改工程计算方法,对比计算数据,验证本文使用的计算方法的精度,同时也体现了该程序可以灵活选择适合的计算方法的特性。此外,该程序不仅可以自由的更换计算方法,还能够作为C++的库文件链接成为优化程序的一部分,实现高超声速飞行器的概念设计和优化设计。

为进一步揭示蜻蜓翼在被动的柔性变形和串列双翼柔性干涉作用下对气流的影响机制,基于STAR-CCM+软件,采用流固耦合方法对Navier-Stokes方程进行数值求解。研究了杨氏模量为3800 MPa、泊松比为0.25时,蜻蜓柔性复翼的变形及其气动特性响应规律。研究表明蜻蜓翼保持正向高置差气动布局均会带来相似且有益的影响。迎角5°时,1.2 mm的高置布局相比低置气动布局的升力系数提升了5.2%,当迎角增大到25°时,差值达到19%。双翼干涉效应下,前翼的气动特性会得到明显的提升,后翼虽会损失一定的气动力,但总体而言,动态干涉是有益的。从双翼气流分离下诱导的后缘涡强度来看,后翼的涡要明显强于前翼。9 m/s以后,蜻蜓滑翔时由前翼承担主要载荷的方式缓慢过渡到后翼,而且后翼翼梢处受载较明显,其最大变形达到16 mm;扭转变形方面速度一定时,随着滑翔时失速迎角增大,...

为探究柔性材料对蜻蜓滑翔时气动特性的影响,通过数值仿真的方法,研究杨氏模量为3800 MPa,泊松比为0.18的三维柔性蜻蜓后翅模型在不同雷诺数和迎角滑翔时的气动效能和气动力作用下的结构变形。结果表明柔性蜻蜓后翅在气动力的作用下会产生明显的弯曲扭转变形,且变形程度随着雷诺数和迎角的增大而增大,其中该扭转变形会使蜻蜓滑翔的实际迎角减小;由于产生了使迎角减少的扭转变形,使得在迎角为5°~30°滑翔时,升力系数减少了9%~45%,失速迎角增大10°以上;小迎角滑翔时,升力系数随速度增大而减小,大迎角滑翔时,升力系数与速度无明显相关性;大迎角滑翔时,在气流分离和柔性蜻蜓翼大角度扭转的作用下,上翼面的负压区向后缘移动,增加了负压区面积,增大了失速迎角,有利于提高蜻蜓飞行时的机动性。可见虽然柔性材料虽然会牺牲蜻蜓滑翔时的气动效...

螺旋桨在临近空间高速运转时,由于工作环境大气物理特性,桨尖区域受空气压缩性影响严重,使螺旋桨气动性能降低。为了改善高空螺旋桨的高速性能,将翼尖修形的思想应用于高空无人机螺旋桨上,分别对螺旋桨桨尖区域进行不同角度的尖削。计算模型应用多参考系模型和周期性边界条件,对不同尖削桨叶运行状态进行模拟并对桨叶气动性能进行计算,根据计算结果分析桨叶尖削对螺旋桨气动性能的影响。研究结果表明对螺旋桨桨尖区域进行尖削,可以减缓桨尖空气压缩性影响,减小桨尖阻力,进而提升螺旋桨气动性能,且当尖削角度α=70°时,螺旋桨的高速性能最佳,其气动效率相比与原始桨叶提升约5%。

倾转翼无人机是兼有固定翼飞机和直升机优点的一种新型旋翼无人飞行器,但其过渡段的气动特性存在非线性、强耦合的特点。基于动量源方法建立了倾转翼无人机返航过渡段的数值模拟方法,经单独旋翼和Georgia-Tech模型算例验证动量源方法的准确性后,结合滑移网格技术模拟倾转翼无人机返航段并进行气动分析,通过调整旋翼转速、倾转角速度,使其定高倾转完成的时间从9.20 s缩短为4.46 s,在此基础上通过MATLAB不同函数拟合曲线编写入动量源,对比得到返航段走廊曲线。计算结果表明利用拟合曲线可以使其更平稳地定高倾转,使倾转翼无人机的返航过渡段受力曲线更加光滑,该方法得到的结果为控制倾转翼无人机返航过渡段的稳定性提供了理论依据。

由于螺旋桨高速性能欠佳,飞行速度在偏离设计点时气动效率下降很快,以螺旋桨为推进系统的高空长航时无人机难以满足快速爬升和快速机动的设计要求。针对这一问题,将桨叶后掠设计方法应用于高空长航时无人机螺旋桨上,在无后掠桨叶的基础上,分别设计了后掠角为10°、20°、30°、40°、50°五个后掠桨叶。基于周期性边界条件和多重参考系方法求解三维N-S方程,对不同后掠桨叶的气动性能进行了计算。根据计算结果,分析了无后掠螺旋桨气动性能下降的原因和后掠对桨叶气动性能的影响。研究结果表明:高空长航时无人机螺旋桨气动性能下降的原因是定桨距螺旋桨桨叶迎角随飞行速度提高而减小以及桨尖压缩效应的影响;后掠桨叶能提供更大的拉力但也需要更大的功率,当后掠角度处在30°和50°之间时,螺旋桨高速性能最好;后掠桨叶螺旋桨的气动性能受迎...

褶皱结构是否能对蜻蜓后翅气动性能产生正面的影响,对蜻蜓后翅气动性能的影响是否与雷诺数(Re)相关。建立接近真实蜻蜓后翅的三维蜻蜓后翅褶皱模型和拥有同样外形的三维平板模型,利用计算流体力学方法分别计算两个模型在不同Re、不同攻角(α)下滑翔飞行时的气动特性。结果表明:褶皱结构的存在会明显提高蜻蜓后翅的升力,但是同时也会增大其阻力;不同Re情况下,褶皱结构对蜻蜓后翅气动性能的影响不同,当Re=1000,α=0°~25°时,蜻蜓后翅的气动效能始终略优于三维平板;褶皱结构对蜻蜓后翅气动特性的影响与α也相关,α较大时蜻蜓后翅的气动效能略优于三维平板。

蜻蜓是自然界优秀的飞行家,滑翔是其常见且有效的飞行模式.蜻蜓优异的飞行能力来源于其翅膀的巧妙结构,褶皱是蜻蜓翅膀上最为显著的结构之一,不仅提高了翅膀的刚度,还改变了其气动特性,而飞行过程中柔性翅膀会产生变形是蜻蜓翅膀的另一特性.为揭示蜻蜓在滑翔时,柔性褶皱前翅的变形,探究褶皱和柔性的共同作用对其气动特性的影响,基于逆向工程,依据前人的测量数据和研究成果,通过三维建模软件建立了蜻蜓三维褶皱前翅的计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)模型和计算结构力学(computational structural mechanics,CSD)模型,并通过模态分析验证了此模型有足够的精度.基于CFD方法和CFD/CSD双向流固耦合计算方法分别对蜻蜓滑翔飞行时刚性和柔性褶皱前翅的气动特性进行了数值模拟,结果表明,柔性褶皱前翅受气动载荷后,翅脉和翅膜产生形变,柔性前翅上下...

柔性对生物的运动起着至关重要的作用,例如鸟类的飞行和鱼类的游动.对柔性的研究有利于深刻地认识一些动物的运动机制和制造高效推进的仿生机器.文章在侧向自由弹性细丝的模型基础上,对不同柔性细丝的气动效能进行了研究.数值模拟结果表明,在Karman涡街中,细丝的阻力系数随着其柔性减小而减小,细丝尾端的振幅随着其柔性减小而增大.结果还表明,在一定范围的Reynolds数下,减小细丝柔性,细丝由在涡核之间穿梭摆动运动模式变成在涡街外侧摆动运动模式,其尾涡的对称性也发生了明显的变化.