风浪扰动中机翼的非定常气动力特性

【摘要】： 地效翼船作为一种高性能的新型高速运载工具，具有经济性好，起降方便，隐蔽性强等多种优点，具有巨大的军事和民用应用价值。在军事上，地效翼船无论是作为实施袭击的平台还是登陆作战的工具，保持低空飞行状态都是必须的；在民用上，如何在充分利用低空飞行的有利因素的同时规避低空飞行时潜在的风险也是一个值得研究的问题。研究地效翼在风浪扰动气流场中掠海飞行的非定常气动力问题，对于高性能地效翼船的设计，特别是对于提高地效翼船在风浪中飞行的安全性，操纵性以及经济性都是十分重要的。 本文基于势流理论计算研究了二维和三维机翼在风浪扰动中的线性和全非线性气动力及其运动响应，全面分析了机翼和波浪的特征参数对气动力的影响，得出了很多有意义的结果。 首先针对机翼在风浪中的非定常非线性气动力问题，提出了一个既能够反映风浪场主要特征又适合于数值计算的风浪场模型，该模型完整地考虑了波浪表面对气流场的全非线性影响，使波面对流场的扰动分离出来，消除了机翼和波浪几何尺度上的巨大差异带来的数值计算上的困难。 通过对影响机翼气动力数值精度的多种因素的分析，对已有的数值方法进行了改进，使数值网格与数学模型合理匹配，确保数值计算结果精确可靠，大大提高计算效率，并给出了复杂条件下的非定常非线性数值结果。 深入系统地分析了存在表面效应时机翼运动规律和气动力之间的关系，研究结果表明，机翼升沉运动产生的推力与升沉速度幅值的平方成比例，推力和推进效率和振荡频率成反比；机翼的俯仰运动可以调节推力和推进效率，但是单纯的俯仰运动不会产生推力。表面效应使机翼推力增大，推进效率提高。 研究了信天翁在波浪上飞行时的气动力和运动，对信天翁在风浪中高效飞行的机理提出了新的见解，详细论证了信天翁利用波动效应和壁面效应在风浪场中实现低能耗飞行的原因。 研究了曲壁面效应，波动效应以及壁面和波动综合效应三种影响模式对二维和三维机翼在风浪中飞行时的气动力性能的影响规律，指出了二维和三维机翼气动力特性的共性和区别。结果表明，曲壁面效应和波幅、飞行高度以及弦长有关，当波幅较大时，曲壁面效应表现出很强的非线性特征；曲壁面效应是一种近场效应，随着飞行高度的增加迅速衰减，曲壁面效应对大弦长机翼的影响较大。曲壁面效应对二维和三维机翼都有增升作用，但二维机翼的阻力增加，三维机翼的阻力减小。波动效应也随着高度的增加而减少，但是和曲壁面效应相比，衰减速度要小得多。波动效应具有减阻作用。飞行高度较低时，波动效应和曲壁面效应对机翼的气动力都会产生很大的影响， 两者之间存在较强的藕合效果;但是飞行高度较高时，综合的结果主要体现 了波动效应的特征。