低雷諾數(shù)下微型飛行器柔性翼型氣動(dòng)特性數(shù)值分析.pdf

1、微型飛行器(Microairvehicles，簡(jiǎn)稱MAVS)的概念自上世紀(jì)九十年代初由美國(guó)蘭德公司(RANDCorporation)在一次未來軍事會(huì)議上提出之后，憑借其小尺寸、高隱身性、低成本等普通飛行器所不具備的特殊優(yōu)勢(shì)，在國(guó)家安全、經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展等眾多領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。然而，由于微型飛行器的尺寸小，飛行速度低，導(dǎo)致其巡航雷諾數(shù)遠(yuǎn)低于普通飛行器的巡航雷諾數(shù)，其氣動(dòng)性能也隨之變差。同時(shí)，由于微型飛行器的飛行速度與風(fēng)速處在同一量級(jí)

2、，極易受到陣風(fēng)環(huán)境變化的影響，很難像常規(guī)大尺寸飛行器那樣保持穩(wěn)定和相對(duì)持久的飛行能力。因此，如何提高微型飛行器在低雷諾數(shù)下的氣動(dòng)性能，已經(jīng)成為當(dāng)前國(guó)際上研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。本文以微型飛行器的氣動(dòng)外形新概念設(shè)計(jì)與優(yōu)化為研究背景，借助仿生學(xué)原理和柔性翼型新概念，通過數(shù)值求解非定常Navier-Stokes方程，對(duì)柔性變形翼型的氣動(dòng)性能進(jìn)行了數(shù)值分析。 本學(xué)位論文工作的主要結(jié)果為：(1)發(fā)展了一套計(jì)算二維非定常粘性繞流的數(shù)值計(jì)算程序。

3、空間離散采用中心有限體積法，時(shí)間離散應(yīng)用了雙時(shí)間推進(jìn)方法。針對(duì)本文的研究背景，程序中包含了變形網(wǎng)格技術(shù)以及相應(yīng)的幾何守恒處理等手段。該程序?yàn)楹罄m(xù)分析非定常流動(dòng)環(huán)境中柔性變形翼型的繞流特性提供了一個(gè)良好的數(shù)值計(jì)算平臺(tái)。 (2)根據(jù)仿生學(xué)原理，充分借鑒海洋中海豚等動(dòng)物柔性表皮在游動(dòng)時(shí)作波浪狀運(yùn)動(dòng)得以減阻的現(xiàn)象，將柔壁行波模型運(yùn)用到固定翼式微型飛行器的彎曲板翼型上。適當(dāng)選取行波參數(shù)(包括波幅、波數(shù)以及相速度等參數(shù))后，結(jié)果得到：柔壁

4、行波翼型較原剛性翼型不僅在阻力方面有所減小，升力也得到了一定程度的提高，相應(yīng)的升阻比在攻角α=15°時(shí)提高了約35％。其改善氣動(dòng)特性的物理機(jī)理可以解釋為：行波翼面在流動(dòng)過程中捕捉到的一列較穩(wěn)定的小尺度渦結(jié)構(gòu)在翼型表面與來流之間形成了“流體滾軸效應(yīng)”，使流體與固壁之間的滑動(dòng)摩擦變成了一種虛擬的滾動(dòng)摩擦，達(dá)到了減小阻力和抑制大尺度流動(dòng)分離的作用。 (3)借用柔性翼型的概念，提出了通過適當(dāng)增加翼型彎度來彌補(bǔ)由于攻角減小而造成的翼型升