紧密编队飞行涡流减阻机理及队形参数优化研究

发布时间：2017-09-06 12:42

  本文关键词：紧密编队飞行涡流减阻机理及队形参数优化研究

  更多相关文章： 编队飞行 减阻 计算流体力学 建模 优化 风洞实验

【摘要】：编队飞行是自然界中大型鸟类在长途迁徙中常用的方式。人类很早就注意到了这一现象,早在一个世纪前,国外学者就使用升力线理论对三只鸟的编队飞行做了分析,指出鸟类编队飞行具有空气动力学上的优势。随着科学技术的发展,编队飞行在人类飞行活动中出现得越来越频繁,如战斗机编队飞行,运输机编队飞行。最典型的编队飞行方式是空中加油过程。在日益追求燃油经济性和环保性的今天,除了不断提高飞机的气动性能外,人们将目光转向了仿生学——利用编队飞行进行节能和增加航程。国外在这方面进行了许多理论和实验研究,主要是线性理论分析和位势流计算、低速风洞实验以及飞行实验,对编队飞行的减阻机理有了较深的认识。但目前国内这方面的研究还较少,主要集中在编队飞行控制方法研究方面,使用的是位势流模型,对编队飞行的减阻机理研究较少,编队队形参数的获取也十分粗糙。本文研究了长机尾涡流与僚机的气动耦合作用,深入分析了编队飞行对僚机的减阻机理；建立僚机气动力系数的响应面模型,以僚机相对长机的位置参数为自变量,以僚机的升阻比为目标函数,对僚机位置参数做优化研究；利用响应面模型分析了位置参数对僚机升阻比的影响,在典型站位进行了位置参数的稳定性分析；开展了低速风洞测力实验和PIV流场测量实验,对位置参数的影响规律进行了验证。主要内容如下：1.用位势流的方法,将长机的尾涡流简化为一对向内反向旋转的半无限长涡丝,以僚机相对长机的位置参数为自变量,采用奥森涡模型计算僚机位置的诱导速度,获得僚机的有效迎角,建立僚机升力、阻力增量模型。通过该模型分析了位置参数对升力和阻力的影响,并与文献实验结果进行了比较。2.利用CFD方法对飞翼构型的单机尾涡流演化过程进行研究,分析其尾涡流的特点。在此基础上,对飞翼构型的三机领头模式编队飞行做气动耦合计算,探讨编队飞行的减阻机理。3.采用网格变形技术实现队形参数的改变,建立僚机气动力系数随位置参数变化的Kriging响应面模型,利用基于EI函数的EGO优化方法寻找僚机气动性能最佳的位置,基于Kriging模型对僚机的位置参数影响规律及位置参数稳定性作了分析。4.开展飞翼构型的低速风洞编队飞行测力实验和PIV流场测量实验,研究位置参数的影响规律,验证数值计算的分析结果。
【关键词】：编队飞行 减阻 计算流体力学 建模 优化 风洞实验
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V211
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 编队飞行研究背景与意义10-12
• 1.2 国内外研究现状12-15
• 1.3 本文的主要工作15-18
• 第二章 数学模型18-28
• 2.1 旋涡模型18-21
• 2.1.1 二维位势涡18-19
• 2.1.2 兰金复合涡19-20
• 2.1.3 奥森涡模型20-21
• 2.1.4 其他涡模型21
• 2.2 上洗数学模型21-24
• 2.3 模型验证24-26
• 2.4 本章小结26-28
• 第三章 数值模拟28-46
• 3.1 数值方法28-37
• 3.1.1 方法介绍28-32
• 3.1.2 方法验证及尾涡演化32-37
• 3.2 编队流场分析37-43
• 3.2.1 尾涡与僚机的相互作用38-41
• 3.2.2 位置影响41-43
• 3.3 本章小结43-46
• 第四章 参数优化46-62
• 4.1 动网格方法46-47
• 4.2 Kriging模型47-50
• 4.3 EGO优化方法50-54
• 4.4 队形参数优化54-57
• 4.5 位置稳定性分析57-59
• 4.6 本章小结59-62
• 第五章 风洞实验62-80
• 5.1 实验介绍62-64
• 5.2 测力实验64-74
• 5.3 PIV实验74-77
• 5.4 本章小结77-80
• 第六章 总结80-84
• 6.1 工作总结80-81
• 6.2 下一步工作展望81-84
• 参考文献84-88
• 附录1 基于弧长的TFI插值方法88-90
• 附录2 Kriging模型中的回归基函数和关联函数90-92
• 致谢92-94
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果94

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本文编号：803193