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低雷诺数多桨布局滑流耦合的气动优化设计研究

王科雷  
【摘要】:高空长航时太阳能无人机以及分布式电推进系统技术是当今国内外航空航天领域研究的热点。当高空长航时太阳能无人机进行低速飞行时,其自身将具有典型的低雷诺数气动特征,而由于大气密度低,通常太阳能无人机都采用分布式桨推进的驱动方式,此时大范围的机翼均受到螺旋桨滑流影响而将产生显著的附加气动力,这可能会导致太阳能无人机最优气动特性偏离设计点。针对这一问题,本文基于多螺旋桨/机翼一体化设计理念,开展了低雷诺数全翼式多桨布局无人机耦合螺旋桨滑流影响的气动特性数值模拟方法及气动优化设计研究。按照循序渐进、逐层深化的研究思路,首先,由数值计算效率与精度之间矛盾统一的需求出发,建立了适用于气动优化设计过程不同阶段的高效、高精度数值模拟方法;然后,考虑到螺旋桨/机翼一体化设计经验的缺乏,开展了低雷诺数条件下螺旋桨/机翼构型气动特性及复杂流动特性的深入分析研究;之后,构建了能够依据实际需求协调气动计算效率与精度的优化设计平台,基于对低雷诺数条件下多螺旋桨/机翼相互气动干扰的流动机理及流场规律的理解,开展了不考虑螺旋桨滑流影响及考虑螺旋桨滑流影响的气动外形及布局参数设计方法研究,并通过算例计算及对比分析对在气动设计过程中耦合螺旋桨滑流影响的必要性以及相关气动设计方法的可靠性及有效性进行了分析研究;最后,基于系统分解的思想由部件到整体地构建了低雷诺数全翼式多桨布局无人机耦合滑流影响的分层协同气动优化设计框架,结合具体对象开展了气动设计应用研究,且最终方案能够满足设计要求,而通过对最终方案多桨布局无人机气动特性及流动特性的详细分析验证了所提出的设计思想及设计方法的有效性及可靠性。论文主要研究工作包括以下几个方面:(1)面对多螺旋桨/机翼构型低雷诺数复杂流动的数值计算效率及精度问题,由气动布局设计过程中不同设计阶段的数值计算需求出发,分别从快速求解方法及高精度求解方法两方面对低雷诺数多螺旋桨/机翼构型数学建模及基本求解技术进行发展和研究。其中,快速求解方面主要包括基于涡格法理论的多螺旋桨/机翼构型气动特性准定常求解程序的编写,基于低雷诺数翼型气动特性数据库的低雷诺数粘性修正方法的提出,以及综合二者的准定常快速求解软件平台的开发。高精度求解方面则是结合低雷诺数分离、转捩等流动特征及转子运动特征而进行的耦合转捩模型求解雷诺平均Navier-Stokes方程的多重参考坐标系准定常求解方法研究。通过大量算例的计算分析验证了两种求解方法数值模拟多螺旋桨/机翼构型低雷诺数复杂流动问题的准确性及高效性,以及其应用于低雷诺数多桨布局无人机气动优化设计中的适用性及可靠性。(2)针对螺旋桨/机翼构型低雷诺数复杂流场特性以及参数变化对其气动特性及流场特性造成的影响进行了分析研究,揭示了低雷诺数条件下单/多螺旋桨滑流影响下的机翼绕流机理,进而为后续低雷诺数多桨布局无人机耦合螺旋桨滑流影响的气动优化设计提供指导及依据。(3)真对低雷诺数多桨布局无人机复杂设计问题,结合实际工程需求及约束,开展了优化方法研究,并搭建了能够结合实际需求协调气动计算效率与精度的优化设计平台。此外,基于对螺旋桨滑流影响下机翼近壁面典型流场特性及流动机理的理解,发展了不考虑螺旋桨滑流影响的二维低雷诺数翼型设计方法及机翼平面形状参数设计方法,以及耦合螺旋桨滑流影响的机翼近壁面流场重构设计方法、机翼翼段设计方法、机翼平面形状参数设计方法及机翼扭转角分布设计方法,并通过大量优化算例验证了耦合螺旋桨滑流影响进行气动设计的必要性以及所提出气动设计方法的有效性。(4)针对典型全翼式低雷诺数多桨布局无人机开展了气动设计思想及方法研究,通过对所发展气动设计方法之间内在联系的分析研究构建了工程可实现性强的高效分层协同气动优化设计框架,并结合具体对象进行了气动优化设计应用研究,针对最终方案无人机气动特性及流动特性进行了深入分析研究,相关研究成果已应用于某型太阳能无人机气动设计中。


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