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《清华大学》 2008年
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近空间低速飞行器气动设计优化平台研究

史文卿  
【摘要】: 气体流经航空器表面发生从层流到湍流的转捩,层流边界层的壁面摩擦力远低于湍流边界层。自然层流外形优化通过设计物体表面型线实现有利的压力分布来推迟流动转捩、扩展层流区,从而达到降低飞行阻力、提高飞行性能的目的。飞行实验表明,现代制造和生产工艺能够满足在实际飞行器表面实现扩展层流流动的要求。近空间低速飞行器主要工作在约20km以上高空,因飞行工况的低雷诺数、低湍流度特性而更容易实现自然层流。同时,其飞行工况相对单一、追求高升阻特性的设计特点使得相应的优化工作具有较高的实际意义。 本文是对自然层流外形优化设计工作的探索,引入γ-Re_((θ))转捩模式预测流动转捩,构建了基于计算机辅助设计(CAD)、计算流体力学(CFD)技术和现代优化方法的集成优化软件平台。应用这一平台,能够针对不同飞行器的气动外形设计要求,在多种现代优化算法的框架下,实现个人计算机或计算集群上的并行计算,进行自动化的几何修改、网格划分、流动计算、结果处理等分析工作,给出优化的自然层流外形设计结果。 应用转捩模式的试算结果表明:γ-Re_((θ))转捩模式在所关心的流动状况区间明确的反映了转捩现象,其转捩预测能力能够满足优化设计的基本需求。而针对典型平流层飞艇和高高空无人机进行的优化设计表明:不同的优化目标和约束对结果影响较大,根据设计特点和要求提出合理的优化准则具有重要意义;在合理的设计准则下,引入转捩计算得到的自然层流外形优化结果相比全湍流外形具有更好的升阻特性,更好的利用了近空间飞行的流动特点。 实现稳定的自然层流,发挥近空间飞行器的优势,需要考虑更多的实际因素。但包括高空湍流特性、表面粗糙度及振动的影响等问题目前还缺乏足够的理论和实践认识,文中所给出的设计准则和优化结果还有待实际应用和检验。相应的,本文所构建的集成优化平台,能够方便的扩展应用最新发展的分析手段,融入对相关问题的深入认识,给出更为可靠和实用的优化结果,对提高近空间低速飞行器的设计水平具有参考和推动意义。
【学位授予单位】:清华大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:V221

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