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基于自适应结构的飞行器气动和噪声特性研究

李大伟  
【摘要】:飞行器的气动阻力和噪声不仅影响到飞行安全和乘客的舒适度,还会增加飞行成本并引起机体结构的声疲劳,而传统的增升结构和控制方法难以满足飞行器在气动特性和航空噪声方面的要求,所以如何有效的减小飞行器的阻力并降低噪声越来越受到科研人员的重视。本论文根据越来越苛刻的航空要求,深入研究了应用于航空领域的压电智能自适应控制技术。该控制技术是在保证结构强度的基础上,将智能压电元件粘贴在飞机结构中形成的一种主动振动控制技术。基于智能压电材料的控制技术不仅同时具备传感和驱动功能,还具有优良的机电耦合性、质量轻和高可靠性的特点,在航空领域有着很好的应用前景。本文针对各种自适应控制技术在实践中的应用,致力于研究主动振动控制技术,吹吸气控制技术和鼓包控制技术对飞行器气动特性和噪声的影响。主要研究工作和创新点如下:(1)分析推导了流体力学的基本方程,考虑不同的离散方式和湍流模型,给出了不同网格模型和自由来流的求解方法。分析动网格技术、湍流模型和离散方式的不同,并分析了不同运动形式所适合采用的动网格技术。(2)针对在飞行器上建立基于反馈的主动振动控制系统将会大大增加飞行器质量这一情况,本文创新性地提出了两种不需要反馈的智能蒙皮局部主动振动控制技术:正弦振动和刚性振动,并深入研究了这两种控制技术对模型流场特性的影响。其中:正弦振动形式可以保证控制面与机体的光滑过度,通过智能材料可以实现这种振动形式,其缺点是:智能材料工作温度不高、强度不大。刚性转动形式在作动器与机体的连接点是不光滑过度的,需通过直线驱动器来实现,在工程实践中更容易应用。其缺点是:质量大、控制能耗大。在以往二维翼型研究的基础上,本文将计算方法扩大到三维模型。结果发现:智能蒙皮局部振动控制技术能够出色地改善模型的气动特性,其中基于刚性转动的智能蒙皮主动振动控制能够获得更好的控制效果。在高速状态下安装在激波位置处的振动作动器起到了良好地减小激波强度推迟激波位置的作用。通过减小激波强度和推迟激波位置来有效地减小翼型上表面的流动分离和增大负压区,由此使得正激波变为一系列的斜激波。在低速状态下振动控制通过向控制点下游注入加速流来延缓控制点后面的流动分离。如果要从根本上减小翼型的阻力,层流翼型将是个不错的选择,这就需要加强对湍流边界层的研究。针对这一情况,本文提出了主动平板壁面振动控制技术,并研究了该控制技术对湍流的边界层的影响。通过适当的研究发现,该技术可以有效的改变湍流边界层的粘性底层和对数律层的法向位置。平板壁面振动的振幅和频率会严重影响控制点下游的壁面剪切应力及噪声。通过增大粘性底层的厚度减小边界层的湍流强度可以较大程度上减小板的壁面剪切应力和噪声。壁面剪切应力和噪声的减小量随着振动振幅的增加是先增加后减小的,当振幅超过某一临界值时,壁面剪切应力及噪声将会增加。壁面剪切应力和噪声的减小量随着控制频率的增加而增加的,并逐渐趋向于稳定。(3)针对以往的吹吸气控制技术研究大多是基于二维翼型,而忽略了机翼翼稍效应这一情况,本文提出了基于三维NACA0012模型的局部展向吹吸气控制技术,并深入研究了该控制技术的不同位置对控制结果的影响。同时,吹吸气控制技术对结构的损伤一直是限制其应用的主要原因,本文所提出的局部展向吹吸气控制技术可以很好的解决这一问题。研究结果表明:吹吸气技术能够有效地控制NACA0012翼型上表面的气流分离并达到改善气动特性的目的。本文在缝翼流场研究的基础上,有针对性的提出了,基于30P30N缝翼内表面的吹吸气控制技术,并深入研究了吹吸气控制技术对前缘缝翼流场及噪声的影响。研究表明,吹吸气控制技术不仅在升阻力控制方面效果明显,在噪声控制方面也同样存在巨大的潜力。吹吸气技术可以很好地控制缝翼空腔内的流场,远场噪声减小量超过20d B。缝翼空腔内的速度和压力颤振、涡量、湍流动能、总声压级和Lamb矢量等参数都会被明显改变。(4)针对被动鼓包控制技术在非典型状态下会引起负作用这一情况,本文设计了一种基于智能材料MFC的主动鼓包控制技术。将计算方法从以往的二维翼型扩展到三维模型,并对鼓包控制的展向位置进行了优化。基于RAE2822翼型的数值模拟表明,主动鼓包可以有效的后移激波位置,减小激波强度,同时增加翼型的升阻比。考虑机翼翼尖涡的影响后,基于三维模型的减阻效果小于二维模型的计算结果。基于智能材料的主动鼓包设计可以易于加工、使用和维护,因此它是一种有潜力的控制技术。(5)在仿真计算的基础上,本文深入开展了主动振动控制的风洞实验研究。通过对平板湍流边界层速度分布的测量,研究了主动振动控制在减小湍流边界层的剪切应力和后缘噪声方面的作用。同时还研究了主动振动控制对标准翼型的升阻力的影响。研究发现,主动振动控制在减阻降噪方面效果明显。同时安装在缝翼前缘的主动振动控制还可以有效的减小缝翼翼尖脱落涡与缝翼后缘之间的相互作用。


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