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微型飞行器相关气动力特性的数值模拟

宋书恒  
【摘要】: 微型飞行器(Micro Air Vehicles或Micro Aerial Vehicles,简称MAVs)是由美国DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)在二十世纪九十年代提出的一种新概念飞行器,它是一种融合了MEMS(Micro-electromechanical Systems)等多种高新技术于一体的集成化智能微型系统。微型飞行器在军事和民用方面具有十分广阔的应用前景和使用价值。微型飞行器的研制,必然要求其相关的空气动力学研究起到先导的作用。其低雷诺数空气动力学特性问题,如翼型低雷诺数绕流、小展弦比机翼的低雷诺数气动力特性以及扑翼的非定常气动力特性等方面都是微型飞行器研发对空气动力学领域提出的重点研究项目,这些研究将为微型飞行器的设计和发展奠定基础。本文围绕微型飞行器所涉及的上述几方面的空气动力学问题展开了相应的数值模拟研究。 论文首先回顾了微型飞行器的提出、产生的背景以及目前国内外的研究现状,较全面阐述了微型飞行器的基本特征、应用前景和分类,对微型飞行器所蕴涵的空气动力学问题进行了系统总结和分析,并指出开展其研究对微型飞行器发展的重要意义。 针对微型飞行器相关气动力特性的数值模拟,论文发展了与之相适应的数值模拟方法,主要包括流体力学的控制方程、空间离散、时间离散、隐式求解方法、边界条件、动网格技术的应用以及湍流模型等方面。基于数值方法本文建立了一套计算软件系统,通过对基本算例的求解,验证了该软件系统的可靠性和有效性,为数值分析微型飞行器相关气动力特性提供了数值模拟的工具。 采用本文建立的计算软件,论文首先开展了翼型低雷诺数范围内的气动力特性研究,数值模拟了翼型低雷诺数层流流动的非定常分离现象,证实了其分离结构是一系列旋涡的非定常对并、融合、移动和脱落的复杂过程,时间平均的数值模拟结果与实验结果之间较好的一致性表明了非定常的大尺度分离结构是影响翼型低雷诺数气动力特性的一个主导因素。同时首次数值模拟了较大弯度翼型在小攻角时的非定常流场,在该条件下,得到了一种新的非定常层流分离结构,深入探讨了其非定常流动分离结构随攻角的演变规律及其对翼型气动力的影响。 为了满足受尺寸限制的固定翼微型飞行器气动布局的设计需求,论文数值模拟了小展弦比机翼的低雷诺数流场,研究了展弦比、弯度、攻角、机翼形状等对小展弦比机翼气动性能的影响,首次重点分析了小展弦比机翼流场中翼尖涡对机翼气动力和流动分离的作用、翼尖涡的涡态结构、尾迹区翼尖涡的强度及发展变化规律。 扑翼作为一种高效的推进方式为微型飞行器的发展提供了另外一种途径。论文对几种扑翼的非定常气动特性进行了数值模拟,系统研究了扑翼的非定常气动力和流场,考察了频率、振幅、相位差等关键因素对扑翼气动力的影响,并对各种扑翼的推进效率作了比较。为了考虑三维效应,数值计算了三维扑翼的非定常流场,较全面分析了展弦比、频率等对三维扑翼气动力、表面流态、动态压力分布的影响规律,并研究了不同情况下三维扑翼流场中的翼尖涡现象。


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