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高速共轴刚性旋翼非定常流动高精度数值模拟

航空学报 2024年第9期45卷 169-188页

作者：韩少强宋文萍韩忠华许建华四川大学计算机学院天府工程数值模拟与软件创新中心成都610065 西北工业大学航空学院气动与多学科优化设计研究所西安710072

高速共轴刚性旋翼在前飞状态下会产生复杂的非定常涡干扰流动结构及较强的激波,对高速直升机的气动、噪声及振动特性有着重要的影响,这些流动现象的高分辨率捕捉是高速直升机CFD研究中的难点之一。发展了可在大规模并行计算中实现负载... 详细信息

高速共轴刚性旋翼在前飞状态下会产生复杂的非定常涡干扰流动结构及较强的激波,对高速直升机的气动、噪声及振动特性有着重要的影响,这些流动现象的高分辨率捕捉是高速直升机CFD研究中的难点之一。发展了可在大规模并行计算中实现负载均衡的运动嵌套网格系统,提出了能够在人工边界上保持高阶精度的高效嵌套关系辨识及插值方法;在嵌套网格上应用了发展的谱特性自适应优化的五阶非多项式重构WENO格式(WENO-K)和改进的延迟脱体涡模拟(IDDES)方法,从而提高对非定常多尺度流动结构的空间数值分辨率及时间保持能力。针对简单四桨共轴旋翼及X-2验证机的八桨共轴旋翼,进行了非定常涡流场高精度数值模拟,研究了高速共轴刚性旋翼桨尖涡结构的生成、发展、演化过程及涡干扰机制。计算结果表明,高阶格式结合IDDES方法能够显著降低数值耗散并提高多尺度湍流结构的分辨率,捕捉到了桨尖涡的高速发展演化过程及桨-涡干扰现象,并能够分辨出桨叶后缘生成的马蹄状的精细涡面结构,有利于高速共轴旋翼涡流场干扰机制及气动噪声的深入研究。

关键词：高速直升机共轴刚性旋翼高阶格式 IDDES 非定常流动桨尖涡

高超声速飞行器宽速域气动布局设计与优化研究进展

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空天技术 2024年第2期2024卷 1-14页

作者：张阳韩忠华张科施宋科宋文萍西北工业大学航空学院气动与多学科优化设计研究所西北工业大学翼型、叶栅空气动力学国家级重点实验室

高超声速飞行器向着速域更宽、空域更广、更加实用化的方向发展，宽速域气动布局设计与优化是此类飞行器工程研制亟待突破的瓶颈问题之一。回顾了美国政府部门及其国内航空航天公司21世纪以来发布的代表性高超声速飞机及空天飞机概念方... 详细信息

高超声速飞行器向着速域更宽、空域更广、更加实用化的方向发展，宽速域气动布局设计与优化是此类飞行器工程研制亟待突破的瓶颈问题之一。回顾了美国政府部门及其国内航空航天公司21世纪以来发布的代表性高超声速飞机及空天飞机概念方案，分析了高超声速飞行器气动布局演化规律及其设计理念的变化。从乘波体宽速域扩展设计、宽速域布局气动优化设计、宽速域变体布局设计三个方面综述了高超声速飞行器气动布局设计与优化领域的研究进展。分析了宽速域气动布局设计存在的技术难点与挑战，并对宽速域气动布局设计与优化后续研究方向进行了展望。

关键词：宽速域高超声速气动布局气动优化乘波体

基于空间嵌套径向基函数的高效并行网格变形方法

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同方期刊数据库

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航空学报 2024年第15期45卷 206-217页

作者：路宽宋文萍郭恒博叶坤王跃韩忠华西北工业大学航空学院气动与多学科优化设计研究所西安710072 中国航空工业集团沈阳飞机设计研究所沈阳110035 飞行器基础布局全国重点实验室西安710072

高效的网格变形方法可以大幅提高流固耦合数值模拟、基于高精度计算流体动力学(CFD)分析的气动外形优化设计等问题的计算效率。常规的基于径向基函数(RBF)的网格变形方法在变形控制点增多时,会引起网格变形计算量激增,而采用减少变形控... 详细信息

高效的网格变形方法可以大幅提高流固耦合数值模拟、基于高精度计算流体动力学(CFD)分析的气动外形优化设计等问题的计算效率。常规的基于径向基函数(RBF)的网格变形方法在变形控制点增多时,会引起网格变形计算量激增,而采用减少变形控制点的方法减小计算量,会带来拟合精度的损失。针对已有RBF网格变形方法计算效率与计算精度不能两全的现状,提出了一种空间嵌套径向基函数模型(SN-RBF),发展了基于SN-RBF模型的高效网格变形方法,在保证网格变形精度的同时大幅度提高了网格变形效率。发展的SN-RBF模型采用多个物理空间相互重叠的子模型代替样本点较多的径向基函数模型,大幅度缩短了径向基函数法网格变形的建模时间。鉴于其便于并行的优良特性,还发展了基于该网格变形方法的并行建模方法与并行网格变形方法,使得网格变形效率得到进一步提升。测试算例表明,建模样本点越多,网格变形效率提升越显著。其中CRM翼身组合体算例,建模效率提升高达16947倍,网格变形效率提升高达5218倍。

关键词：径向基函数空间嵌套径向基函数网格变形并行建模

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磁流变起落架的开关控制落震载荷减缓实验

航空学报 2024年第12期45卷 146-157页

作者：康在飞王乐姜澎伟杨智春西北工业大学航空学院西安710072 航空工业成都飞机设计研究所成都610091

起落架磁流变缓冲器是根据磁流变效应设计的一种半主动式缓冲器,可以通过调节励磁线圈电流来改变缓冲器的阻尼,从而减缓起落架的着陆载荷。本文设计了一款带开关控制的起落架磁流变缓冲器,对磁流变缓冲器的电路动态响应进行测试。针对... 详细信息

起落架磁流变缓冲器是根据磁流变效应设计的一种半主动式缓冲器,可以通过调节励磁线圈电流来改变缓冲器的阻尼,从而减缓起落架的着陆载荷。本文设计了一款带开关控制的起落架磁流变缓冲器,对磁流变缓冲器的电路动态响应进行测试。针对电路响应时间延迟问题,提出并设计出带局部负反馈的开关控制器,通过调节磁流变缓冲器励磁线圈电流,以减缓着陆载荷,并通过落震实验验证了对着陆载荷的减缓效果。落震实验结果表明,使用带局部负反馈的开关控制方法,与磁流变缓冲器励磁线圈未通电时(即常规油-气式缓冲器)相比,落震载荷峰值降低10.3%.

关键词：磁流变缓冲器起落架落震载荷减缓开关控制前馈控制

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双油箱燃油热管理系统性能分析

航空学报 2024年第14期45卷 229-240页

作者：魏宇豪葛玉雪赵倩裴扬西北工业大学航空学院西安710072

随着飞机热载荷的增加,燃油热管理逐渐成为现代飞机设计和运行中的重要考虑因素。建立了考虑热损失的双油箱拓扑结构燃油热管理系统的动力学模型,给出了考虑热损失情况下的管理策略,并利用热续航时间、热沉利用效率和废热利用效率这3个... 详细信息

随着飞机热载荷的增加,燃油热管理逐渐成为现代飞机设计和运行中的重要考虑因素。建立了考虑热损失的双油箱拓扑结构燃油热管理系统的动力学模型,给出了考虑热损失情况下的管理策略,并利用热续航时间、热沉利用效率和废热利用效率这3个指标对该系统的性能进行评价。结合典型示例,对所推导的动力学模型进行了验证。与传统单油箱系统相比,双油箱拓扑结构燃油热管理系统可以提升系统的热续航时间。对于本文所研究的双油箱燃油热管理系统,其增幅可达36.8%。在此基础上,分析了热管理系统设计参数对运行效果的影响。结果显示:总燃油质量流率的降低可以增强系统的热沉利用效率和废热利用效率。在油箱总容量不变的前提下,适当地缩小再循环油箱容量,则可以提高系统的热续航时间。对于本文算例,当总燃油质量流率为1 kg/s时,再循环油箱容量减少100 kg,热续航时间提高约109 s。本文研究可为飞机燃油热管理系统设计提供参考。

关键词：燃油系统双油箱拓扑结构热沉热管理系统热续航时间

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分布式动力翼前飞状态动力/气动耦合特性

航空学报 2024年第2期45卷 132-150页

作者：王科雷周洲郭佳豪李明浩西北工业大学航空学院西安710072

以分布式混合电推进飞行器技术研究为背景,针对分布式动力翼在前飞状态下动力/气动耦合特性开展数值模拟及分析。首先,通过对分布式动力翼各部件进行合理拆解,结合超椭圆方程、四阶Bezier曲线、CST (Class Function/Shape Function Tran... 详细信息

以分布式混合电推进飞行器技术研究为背景,针对分布式动力翼在前飞状态下动力/气动耦合特性开展数值模拟及分析。首先,通过对分布式动力翼各部件进行合理拆解,结合超椭圆方程、四阶Bezier曲线、CST (Class Function/Shape Function Transformation)参数化方法等构建了分布式动力翼复杂对象的参数化模型。然后,依次对动力翼二维剖面翼型、动力翼单元翼段、分布式动力翼整体动力/气动耦合特性进行了数值研究,并与常规翼型-机翼进行了对比分析。最后,梳理了分布式动力翼内外流耦合与其二维-单元-整体特性之间的内在联系,提出了关于分布式动力翼动力/气动耦合设计思路的建议。

关键词：分布式混合电推进飞行器分布式动力翼参数化模型动力/气动耦合特性前飞状态

基于全局/梯度优化方法的宽速域乘波-机翼布局气动设计

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航空学报 2024年第6期45卷 134-148页

作者：陈树生冯聪张兆康赵轲张新洋高正红西北工业大学航空学院西安710072

宽速域高超声速飞行器是航空航天领域新的战略制高点,其飞行速域与空域极大化特点导致亚/跨/超/高超声速气动性能难以兼顾。为了缓解高低速气动设计的矛盾,以典型宽速域乘波-机翼布局为研究对象,结合基于代理模型的全局优化方法和基于... 详细信息

宽速域高超声速飞行器是航空航天领域新的战略制高点,其飞行速域与空域极大化特点导致亚/跨/超/高超声速气动性能难以兼顾。为了缓解高低速气动设计的矛盾,以典型宽速域乘波-机翼布局为研究对象,结合基于代理模型的全局优化方法和基于伴随梯度的局部优化方法,对该宽速域构型的布局参数和剖面形状进行了从全局到局部的多目标分步优化。结果表明,在约束亚声速升力系数、高超声速阻力系数的情况下,基于代理模型的布局参数优化方法能够在维持高超声速气动性能的同时,将亚声速的升阻比提升9.5%。进一步选取布局参数优化结果 Pareto面上亚声速气动特性最优的构型,利用基于伴随梯度的优化方法,对机翼剖面进行梯度优化。优化结果表明,梯度优化能够有效地改善飞行器亚/高超声速状态下的阻力特性,并将翼型在几何上优化为兼顾亚/高超声速气动特性的双S翼型。通过上述从布局参数到剖面参数的优化,乘波-机翼构型的亚声速升阻比相比初始构型提升了12.4%,高超声速升阻比相比原始构型提升了6.2%。

关键词：乘波-机翼构型宽速域代理模型伴随方法分步优化

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考虑气动-结构的高空螺旋桨多学科优化方法

航空动力学报 2024年第4期39卷 75-83页

作者：口启慧王海峰江泓鑫聂波西北工业大学航空学院西安710072

为实现高空螺旋桨高效率和轻质量之间的权衡设计,提出一种考虑螺旋桨气动-结构性能的多学科多目标优化设计方法,理论上可得到约束条件下推力最大和质量最小的Pareto解集。但工程应用中,变量太多,可接受时间内仅能获得Pareto解集拟合趋... 详细信息

为实现高空螺旋桨高效率和轻质量之间的权衡设计,提出一种考虑螺旋桨气动-结构性能的多学科多目标优化设计方法,理论上可得到约束条件下推力最大和质量最小的Pareto解集。但工程应用中,变量太多,可接受时间内仅能获得Pareto解集拟合趋势。为避免优化周期太长,提出以下阶段性优化方法。阶段1:根据上述Pareto解集拟合趋势和平台约束,确定最优桨径;阶段2:进行基于最优桨径的气动优化获得气动外形,结构优化获得结构方案。使用该方法对高空太阳能无人机螺旋桨优化,两个阶段耗时分别为96 h和4 h。对获得螺旋桨制造,仿真和试验,对比结果表明:推力最大误差为10.9%,质量误差为6.9%,刚度误差为15.2%,固有频率误差为15.4%,试验结果也表明该方法的合理有效性。

关键词：高空螺旋桨多学科优化 Pareto解集气动优化结构优化复合材料螺旋桨试验验证

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倾转动力无人机三维过渡走廊

北京航空航天大学学报 2024年第3期50卷 886-895页

作者：夏济宇周洲王正平王睿西北工业大学航空学院西安710072

为解决传统过渡走廊中忽略系统动态特征、缺少迎角信息、难以直接用于过渡路径规划的问题,提出一种适用于倾转动力类无人机的三维过渡走廊建立方法。所提方法从物理约束角度限制飞行速度与倾转角度边界,从飞行力学角度限制全机升力特性... 详细信息

为解决传统过渡走廊中忽略系统动态特征、缺少迎角信息、难以直接用于过渡路径规划的问题,提出一种适用于倾转动力类无人机的三维过渡走廊建立方法。所提方法从物理约束角度限制飞行速度与倾转角度边界,从飞行力学角度限制全机升力特性边界,从能源配置角度限制动力系统功率边界,从而建立关于飞行速度、倾转角度与迎角的三维过渡走廊,并且设计综合性能指标函数用于描述走廊内各飞行路径点的性能。基于所建三维过渡走廊采用鸽群优化算法完成最优过渡路径的搜索工作。结果表明:所建三维过渡走廊能够更加具体地描述可用飞行范围,其不仅包括传统过渡走廊的飞行速度与倾转角度,同时还包含迎角与性能指标信息,这为过渡路径规划提供基础;鸽群优化算法具有良好的过渡路径优化能力,通过优化使无人机拥有良好的飞行效果,动力系统油门杆量变化平稳、幅值较小,证明使用三维过渡走廊指导过渡飞行与规划过渡路径的可行性。

关键词：倾转动力无人机气动力模型飞行包线三维过渡走廊鸽群优化算法过渡路径