基于自适应结构的飞行器气动和噪声特性研究

发布时间：2017-08-19 14:38

  本文关键词：基于自适应结构的飞行器气动和噪声特性研究

  更多相关文章： 主动振动控制 鼓包控制 吹吸气控制 涡量 湍流动能 湍流边界层 智能材料

【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。
【关键词】：主动振动控制 鼓包控制 吹吸气控制 涡量 湍流动能 湍流边界层 智能材料
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V211
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-22
• 第一章 绪论22-32
• 1.1 减阻降噪的意义22-23
• 1.1.1 减阻的意义22
• 1.1.2 降噪的意义22-23
• 1.2 飞机气动特性控制技术23-26
• 1.2.1 自适应智能蒙皮振动控制技术24-25
• 1.2.2 吹吸气控制技术25-26
• 1.2.3 鼓包控制技术26
• 1.3 飞机噪声控制技术26-28
• 1.3.1 主动控制技术26-28
• 1.3.2 被动控制技术28
• 1.3.3 主被动相结合控制技术28
• 1.4 飞机机体气动噪声的计算28-30
• 1.4.1 纯理论方法28-29
• 1.4.2 混合方法29
• 1.4.3 半经验方法29-30
• 1.4.4 纯数值法30
• 1.5 本文研究目标与内容安排30-32
• 第二章 非定常气动力及噪声的计算方法32-43
• 2.1 引言32
• 2.2 动网格控制技术32-33
• 2.2.1 动态网格层变技术32
• 2.2.2 弹性体变形网格调整技术32-33
• 2.2.3 局部网格重构技术33
• 2.3 流动控制方程33-34
• 2.4 湍流模型34-37
• 2.4.1 S-A单方程湍流模型35
• 2.4.2 SST k-ω 两方程湍流模型35-37
• 2.4.3 大涡湍流模型37
• 2.5 离散方法37-42
• 2.5.1 空间离散方法37-40
• 2.5.2 时间离散方法40-42
• 2.6 本章小结42-43
• 第三章 主动振动控制对模型气动特性的影响43-78
• 3.1 引言43
• 3.2 计算方法分析43-47
• 3.2.1 计算网格模型44-45
• 3.2.2 计算方法45
• 3.2.3 方法验证45-46
• 3.2.4 控制机理的讨论46-47
• 3.3 基于 2D NACA0012翼型的正弦振动控制47-53
• 3.3.1 低马赫数下振动参数的影响47-50
• 3.3.2 高马赫数下振动参数的影响50-53
• 3.4 基于 3D NACA0012翼型的正弦振动控制53-56
• 3.4.1 三维无翼梢对称机翼53-54
• 3.4.2 三维有翼梢对称机翼54-56
• 3.5 基于 2D非对称翼型的正弦振动控制56-58
• 3.6 基于 3D非对称无翼稍模型的正弦振动控制58
• 3.7 基于 2D0012翼型的刚性转动控制58-61
• 3.7.1 低马赫数下振动参数的影响59-60
• 3.7.2 高马赫数下振动参数的影响60-61
• 3.8 主动振动控制对湍流边界层的影响61-76
• 3.8.1 数值模型和计算方法61-62
• 3.8.2 数值仿真62-63
• 3.8.3 方法验证63-67
• 3.8.4 主动控制对减阻的影响67-70
• 3.8.5 主动控制对噪声的影响70-76
• 3.9 本章小结76-78
• 第四章 主动振动控制对翼型噪声的影响78-93
• 4.1 引言78
• 4.2 噪声控制方法分析78-82
• 4.2.1 模型及网格79-81
• 4.2.2 Lamb矢量分析81
• 4.2.3 涡量分析81-82
• 4.3 圆柱噪声分析82-84
• 4.4 振动控制对流场特性的影响84-91
• 4.4.1 总声压级的改变84-85
• 4.4.2 湍流动能的改变85-86
• 4.4.3 近场区域内的速度颤振的改变86-87
• 4.4.4 近场区域内的压强颤振的改变87-88
• 4.4.5 三分之一倍频程图的改变88
• 4.4.6 涡量云图的时间序列的改变88-90
• 4.4.7 Lamb矢量的改变90-91
• 4.5 增升和降噪的综合优化91-92
• 4.6 本章小结92-93
• 第五章 其它自适应结构对翼型气动特性的影响93-120
• 5.1 引言93
• 5.2 基于NACA0012模型的吹气控制研究93-101
• 5.2.1 控制方程和湍流模型93-94
• 5.2.2 计算条件及工况94
• 5.2.3 物理模型及网格的划分94-96
• 5.2.4 方法验证96
• 5.2.5 吹气控制机理96-97
• 5.2.6 吹口在弦向位置的确定97-98
• 5.2.7 吹气展向位置的影响98-101
• 5.3 基于 30P30N模型的吹吸气控制技术101-110
• 5.3.1 模型及网格101-102
• 5.3.2 吹吸气控制设计102
• 5.3.3 数值方法102-103
• 5.3.4 压力验证103
• 5.3.5 涡量验证103-104
• 5.3.6 吹吸气控制对气动特性的影响104-110
• 5.4 二维鼓包控制技术研究110-116
• 5.4.1 主动鼓包设计和模型110-111
• 5.4.2 计算方法111-112
• 5.4.3 方法验证112
• 5.4.4 结果分析112-116
• 5.5 三维鼓包控制技术研究116-117
• 5.6 本章小结117-120
• 第六章 主动振动控制的实验研究120-139
• 6.1 引言120
• 6.2 主动振动控制对湍流边界层的影响120-127
• 6.2.1 实验设备120-122
• 6.2.2 测试方法122-123
• 6.2.3 结果讨论123-127
• 6.3 主动振动控制对翼型气动特性的影响127-130
• 6.3.1 实验模型127-128
• 6.3.2 测试方法128
• 6.3.3 结果讨论128-130
• 6.4 主动振动控制对多段翼型噪声的控制130-137
• 6.4.1 油流法确定撞击点131-132
• 6.4.2 撞击点频谱分析132-137
• 6.5 本章小结137-139
• 第七章 总结与展望139-142
• 7.1 研究总结139-140
• 7.2 研究展望140-142
• 附录142-144
• 参考文献144-154
• 致谢154-155
• 在学校期间的研究成果及学术论文155
• 攻读博士学位期间参加的科研项目情况155

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