仿驼背鲸鳍机翼流动特性分析

发布时间：2020-08-21 16:23

【摘要】：观察发现,相比于其他大型海洋生物,体型硕大的驼背鲸在捕食猎物的过程中机动性能相当灵活,甚至能做出接近杂耍般的机动动作。研究认为其具有前缘突节的鲸鳍是它们在较大攻角下依然具有良好的水下性能的主要原因。然而在航空领域,当飞机飞行攻角过大时,就很容易出现突然失速现象,造成严重的后果。提高飞机的失速攻角,一直是飞机设计师想克服的一道难题。因此通过仿生学原理,将驼背鲸特殊的前缘突节结构应用在飞行器机翼或直升机叶片等工程中具有很大的实际意义。然而仿驼背鲸鳍机翼的研究尚处在起步阶段,针对前缘突起结构对机翼流动特性影响的规律并未达到统一的认识。因此有必要对该仿驼背鲸鳍机翼的流动特性做更进一步的探究。为研究前缘突节对机翼流动特性的影响,基于NACA0018标准翼型,建立标准机翼和不同参数条件下的仿驼背鲸鳍机翼模型。通过FLUENT数值模拟,对标准机翼和各个仿生机翼在0~°至30~°的攻角范围内每隔2度分别进行计算分析。结果表明,标准机翼在20~°攻角之后,升力系数急剧下降,阻力系数对应急剧升高,失速特性表现明显。而仿驼背鲸鳍机翼的升力系数也会在某一特定角度出现不同程度的下降,但下降趋势比较缓和。在大攻角下,仿驼背鲸鳍机翼的升力系数普遍大于标准机翼,而阻力相差不大,可以有效的改善机翼的失速特性。分析结果表明仿驼背鲸鳍机翼前缘突节的幅值和个数都是影响机翼流动特性的主要因素。前缘突节个数给定的情况下,在一定的幅值范围内,幅值越大,机翼的升力系数越小。当具有相同的前缘突节幅值时,突节个数越多,升力系数越小,但是相比于突节幅值对仿生机翼流动性能的影响,突节个数的变化对仿生机翼流动特性的影响相对较小。根据特定攻角下机翼表面流线的分布规律、机翼表面压强分布情况以及机翼特定截面处速度云图可知,前缘突节的存在能改变机翼表面的流动的分布规律,使得在大攻角下机翼表面依然具大量的附着流动。而突节波峰处良好的流动特性是仿生机翼在大攻角下依然具有较大升力系数的主要原因。根据驼背鲸鳍前缘突节的特殊构造,提出非正弦曲线前缘突节问题,建立不同前缘曲线类型的仿生机翼模型,分析发现,前缘突节的曲线类型同样是影响仿生机翼流动特性主要因素,其中标准正弦曲线前缘机翼在各个攻角下的流动特性最优。
【学位授予单位】：沈阳航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V211.41
【图文】：

鹰眼,导弹

图 1.1 鹰眼导弹图 1.2 扑翼飞行器当飞机飞行攻角过大时，很容易出现突然失速现象，造成严重的后果。提高飞攻角，一直是航空界想克服的一道难题。为了增加飞机飞行时特别是在起飞和中的总体升力，传统的方式是采用增加前后缘襟翼等一系类铰链机构改变翼型法，但是随着航空事业的发展，采用了仿生学原理来改变翼型形状的方式越来所研究和利用，以达到增加机翼升力的目的。Peery 等[5]在上世纪 90 年代就仿水中游动时变化不同的身体姿态来对应不同的来流情况，提出自适应柔性变形念来提高飞机的气动性能。Kota 等[6,7]提出一种以机械方式驱动为主，采用柔性

扑翼,失速,攻角,飞行器

柔性机翼,鸟类,方案

图 1.1 鹰眼导弹图 1.2 扑翼飞行器行攻角过大时，很容易出现突然失速现象，造成严重的后果。提直是航空界想克服的一道难题。为了增加飞机飞行时特别是在起升力，传统的方式是采用增加前后缘襟翼等一系类铰链机构改变随着航空事业的发展，采用了仿生学原理来改变翼型形状的方式利用，以达到增加机翼升力的目的。Peery 等[5]在上世纪 90 年代时变化不同的身体姿态来对应不同的来流情况，提出自适应柔性飞机的气动性能。Kota 等[6,7]提出一种以机械方式驱动为主，采来实现机翼的可操作性的变形，但是由于其过于繁琐的机械操作加，并未达到很好的柔性变形效果。Bowman 等[8,9]提出了一种可如图 1.3 所示，它类似于鸟类在飞行过程中根据来流情况来控制适应不同环境下的飞行情况。

【参考文献】