为了验证某型大展弦比电动飞机气动设计的合理性以及为飞行性能及品质计算提供数据,采用有限体积法离散求解三维可压雷诺平均Navier-Stokes方程,并选用Spalart-Allmaras湍流模型对该电动飞机流场进行CFD数值模拟。结果表明,该型电动飞机气动设计合理,巡航速度升阻比最高可达23,具有较高气动效率;通过CFD数值模拟得到了全机升力系数、阻力系数和升阻比。为了验证CFD计算结果,对该型电动飞机进行了缩比模型风洞实验,结果显示,CFD数值模拟法计算结果与风洞实验结果高度吻合,说明CFD计算结果准确。该方法可为大展弦比电动飞机气动设计提供指导。

翼型在较大攻角下会发生失速,产生流动分离,这将直接影响翼型气动性能。对此,采取在雷诺数Re=1×106的条件下,在S809翼型前缘点附近不同位置处设置微小板,改变微小板的板长、振动振幅和频率,探究其对S809翼型气动性能的影响。结果表明静止时,微小板的板长尺寸对控制效果影响显著,当位置和尺寸选取最优时,S809翼型在22°攻角下升阻比提升2倍左右;对抑制流动分离效果不佳的尺寸较小的静止板施加以合适振幅和频率的振动后,可以有效地抑制翼型的流动分离,得到增加升力、减小阻力的效果。

基于雷诺平均Navier-Stokes方程,对倾转四旋翼机前后翼气动干扰特性进行了数值分析研究。采用反距离加权插值法实现不同气动构型下网格的自动更新,选取的水平无量纲距离(与翼型弦长的比值)分别为1.5、2.0和3.0,垂直无量纲距离分别为0、1.0和一1.0,系统分析了水平和垂直距离对串列翼整体和前翼、后翼及其平均气动力的影响规律。计算分析结果表明前翼对后翼存在下洗效应,前翼先于后翼失速;水平位置主要影响串列翼大迎角下的升力系数,并且随着水平距离的减小,前后翼气动干扰逐渐增强;前翼在上后翼在下的串列翼布局具有更好的气动性能。与单翼相比较,虽然升力增大,阻力同样增大,但串列翼最大升阻比较小。

翼型是影响轴流风扇气动性能的关键因素,良好的翼型能获得更佳效率的风扇,从而减小耗电量。首先采用Profili软件对NACA4412航空翼型进行提高升阻比的改型优化设计,得到了一种新的适用于散热轴流风扇的高性能翼型NACA4412-MOD。然后通过数值仿真对新旧翼型进行气动性能计算。结果显示,在给定的雷诺数条件下,迎角相同时,比原翼型相比,新翼型的升力系数更大,阻力基本不变或略有增加,升阻比提高明显,并且维持高升阻比的迎角范围更广。

优化载重性能的气动布局设计是当前无人机研究重要方向,为提高物资运载能力和结构性能,基于连接翼、双机身、鸭式布局设计,提出一种新型双机身鸭式布局无人机,采用FLUENT详细研究了两种飞行速度下的升阻特性、压力云图、涡量分布等。研究结果表明,双机身鸭式布局无人机具有较高的升阻性能,速度提高时,升力系数增加而阻力系数减小,速度由30 m/s增加到60 m/s时,最大升力系数增加7.6%,升阻比增加4.8%;从表面压力云图看,升力主要贡献为前机翼、鸭翼和后机翼,失速迎角前后,后机翼未受前机翼和鸭翼气流干扰,提高了无人机的失速特性;巡航迎角状态的涡量较弱,仅在翼梢及部件连接处出现,失速迎角前后,翼梢、部件连接处涡系增强,且产生了干扰,机翼表面趋于分离。

为提升固定式鸭舵全弹的气动效率,对制导榴弹弹道修正组件进行结构设计以及气动特性分析。基于155 mm口径榴弹设计3种不同形状的鸭舵,利用数值仿真软件对3种舵片进行气动仿真,通过3种设计方案滚转力矩以及升阻比的对比进行优选,并对不同安装位置对气动特性的影响进行分析,得出气动效率相对较好的鸭舵形状以及轴向布局。结果表明该设计具有一定的工程应用价值,可为基于鸭式舵的简易制导榴弹气动设计提供参考。

为改善无人机承载质量性能,提出并设计了一种新型连翼式双机身气动布局,建立了基础布局和改进布局模型,基于FLUENT详细研究了两种布局的气动特性。仿真结果表明,连翼式双机身布局有较好的气动性能,巡航状态升阻比可达16以上;经过翼身融合、机头修形及前后翼连接处理等改进后,升阻性能有较大提高,迎角2°时,改进布局升力系数、升阻比分别提高了1.8%、9.1%,阻力系数降低了6.7%,且具有更好的失速性能;与基础布局相比,改进布局有效降低了迎角2°时机头位置、翼身连接处的压力分布,迎角12°时改进布局后翼未发生明显分离;初步试飞试验说明两种布局均具有较为优秀的飞行性能,有望在军民运输、救援、侦察等领域得到应用。

以X-47B飞翼式布局舰载无人机为研究对象,构建三维NACA 4415bis基准翼型结构,采用数值模拟计算的方法,对比研究了该无人机在起降过程中后缘襟翼对无人机整体的升阻特性影响。选取无人机在0°攻角下,来流马赫数分别为0.1ma、0.3ma、0.5ma、0.7ma、0.9ma,襟翼弯曲角度为0°~15°的工况条件,分析不同襟翼弯曲角度对无人机气动性能的影响。数值结果表明:添加后缘襟翼后,无人机的升、阻力系数随襟翼弯曲角度的增大呈现线性增大趋势;但因升力系数的增幅高于阻力系数的增幅,无人机的升阻比有较高的提升。如飞行速度为0.5ma时,无人机的最大增升效果相比0°襟翼时高219%。综上,舰载无人机在起降过程中应调节后缘襟翼弯曲角度来获取最佳气动性能状态。