高超声速双翼翼型优化与机翼热气动弹性研究

发布时间：2020-06-29 17:53

【摘要】：高超声速飞行器在国防和民用领域都具有非常重要的意义,但在其发展过程中需要攻克诸多技术难题,其中气动问题和热气动弹性问题是需要解决的两个关键问题。目前,高超声速有翼飞行器通过采用大后掠翼、小展弦比机翼、薄翼和耐高温材料等,可以在一定程度上解决飞行器在高超声速飞行时所产生的气动阻力和热气动弹性问题,但这些措施还未考虑过机翼采用多层翼布局形式对其热气动弹性特性的影响。针对以上问题,论文提出了一种高超声速双翼机翼外形,研究了高超声速双翼的翼型优化问题。在此基础上,运用改进后Busemann双翼、非对称双翼和可变形双翼翼型构建了三种高超声速双翼机翼,对比研究了三种机翼的热气动弹性问题,为高超声速飞行器气动问题和热气动弹性问题的研究和解决提供了新的思路。论文主要内容如下:研究了Busemann双翼的升阻比特性。首先考虑增升效应,推导给出了高超声速Busemann双翼气动特性的理论计算模型,研究分析了Busemann双翼的升阻比特性,发现其具有比菱形单翼更高的升阻比;然后考虑减阻效应,通过对Busemann双翼激波-膨胀波干涉效应的分析,进一步说明了Busemann双翼具有减小阻力提高气动性能的特点。建立了高超声速双翼翼型的理论优化模型并优化得到一种非对称双翼翼型。针对利用CFD优化Busemann双翼翼型时,存在计算量大、计算速度慢的问题,建立了一个能够快速计算、优化和评估高超声速双翼翼型气动特性的理论优化模型,并获得一个非对称优化翼型。同时还建立了一个基于CFD计算值并已验证计算精度的代理模型,用于对理论模型的优化结果进行验证,结果表明两者得到的优化翼型基本一致,说明了理论优化模型具有较高的计算精度。在此之后,研究了非对称双翼在不同工况下的气动特性,结果表明非对称双翼不能在所有工况下均保持高气动特性。为进一步提升高超声速双翼的气动性能并克服非对称双翼翼型的不足,提出了一种高超声速可变形双翼,研究了其在不同工况下的气动特性;同时,针对在给定迎角和马赫数条件下选取可变形双翼的舵面偏转角较为困难的问题,设计出一种结合了二分法、遗传算法和高斯牛顿算法三者优势的优化算法,对可变形双翼在不同工况下的舵面偏转角进行快速选取。计算结果表明:该算法的计算精度高,能够满足高超声速可变形双翼在不同工况下的优化需求,优化后的高超声速可变形双翼具有更好的气动特性。改进了传统双翼翼型,提高了其在黏性条件下的气动特性。由于双翼的浸湿面积几乎为单翼浸湿面积的两倍,所以在考虑黏性时,双翼具有更大的摩擦阻力,结果导致其升阻比特性并不比单翼的升阻比特性更具有优势,说明传统双翼翼型并不太适合高超声速飞行。针对这一问题,提出将斜激波的入射点从传统的喉道位置后移至双翼后缘的思路,通过增加双翼的间距,提高了双翼在黏性条件下的升力系数。结果表明这一改进可以明显增大双翼在考虑黏性时的升阻比,并且相对于单翼的升阻比特性也有较大幅度的提高。针对目前在研究高超声速有翼飞行器的热气动弹性静态问题时,还未考虑过机翼采用多层翼布局对其热气动弹性静态特性产生影响的问题,为此,本文提出了采用双层翼布局形式解决高超声速机翼热气动弹性静态问题的思路。研究了机翼的后掠角和梢根比对高超声速双翼机翼气动特性和结构模态的影响,提出了一种适用于高超声速飞行的双翼机翼布局形式,并创建了三种高超声速双翼机翼,研究了不同双翼构型对机翼热气动弹性静态问题的影响规律。研究表明:相对于菱形单翼,双翼机翼能够具有更好的热气动弹性静态特性,气动加热效应对其气动特性的影响也更小。考虑到机翼采用多层翼布局形式对其热气动弹性动态特性产生影响的问题,提出了采用双翼布局来解决高超声速机翼热气动弹性动态问题的思路。基于该思路分析研究了双翼布局对机翼临界颤振速度的影响规律。结果表明,相对于菱形单翼,Busemann双翼和非对称双翼机翼具有更好的热气动弹性动态特性,在同等环境条件下具有更高的临界颤振速度;而可变形双翼机翼受机翼舵面刚度等的影响,其临界颤振速度小于菱形单翼的临界颤振速度,但其临界颤振速度仍然很大,能够满足高超声速飞行的需要。
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V211.47
【图文】：

案是使用两副机翼代替常规的一副机翼，布局的概念是在 1935 年由 Busemann 为减小超声速为 Busemann 双翼，与此同时 Busemann 还分析-68]，图 1-1 为 Busemann 双翼的波系图。

图 1-2 可变形双翼前对 Busemann 双翼的研究多集中于进行优化的问题上[87-88]，而对 Busema及相应的优化设计研究则较少[77-78]。波层薄、黏性干扰大和气流温度高等

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本文编号：2734152