低雷諾數(shù)下微型飛行器柔性翼型氣動特性數(shù)值分析.pdf

1、微型飛行器(Microairvehicles，簡稱MAVS)的概念自上世紀九十年代初由美國蘭德公司(RANDCorporation)在一次未來軍事會議上提出之后，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，在國家安全、經(jīng)濟建設(shè)和社會發(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，導致其巡航雷諾數(shù)遠低于普通飛行器的巡航雷諾數(shù)，其氣動性能也隨之變差。同時，由于微型飛行器的飛行速度與風速處在同一量級

2、，極易受到陣風環(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)下的氣動性能，已經(jīng)成為當前國際上研究的熱點和難點。本文以微型飛行器的氣動外形新概念設(shè)計與優(yōu)化為研究背景，借助仿生學原理和柔性翼型新概念，通過數(shù)值求解非定常Navier-Stokes方程，對柔性變形翼型的氣動性能進行了數(shù)值分析。 本學位論文工作的主要結(jié)果為：(1)發(fā)展了一套計算二維非定常粘性繞流的數(shù)值計算程序。

3、空間離散采用中心有限體積法，時間離散應(yīng)用了雙時間推進方法。針對本文的研究背景，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。該程序為后續(xù)分析非定常流動環(huán)境中柔性變形翼型的繞流特性提供了一個良好的數(shù)值計算平臺。 (2)根據(jù)仿生學原理，充分借鑒海洋中海豚等動物柔性表皮在游動時作波浪狀運動得以減阻的現(xiàn)象，將柔壁行波模型運用到固定翼式微型飛行器的彎曲板翼型上。適當選取行波參數(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°時提高了約35％。其改善氣動特性的物理機理可以解釋為：行波翼面在流動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摩擦變成了一種虛擬的滾動摩擦，達到了減小阻力和抑制大尺度流動分離的作用。 (3)借用柔性翼型的概念，提出了通過適當增加翼型彎度來彌補由于攻角減小而造成的翼型升