为了扩展某型电动飞机螺旋桨优化设计的工程应用范围,在多种工况下RAF-6翼型优化设计的基础上,考虑到翼型本身结构的优化及径向分布,对螺旋桨进行重构优化设计研究。根据某型电动飞机的低空飞行条件,提出了集CST参数化、气动力计算和NLPQL优化算法为一体的快速翼型优化设计方法,优化了RAF-6翼型特殊工况的升阻特性,将优化后的翼型按照原螺旋桨的弦长和桨叶角等数据对螺旋桨进行8个剖面的重构建模,采用K-εRNG湍流模型求解雷诺平均方程的多重参考坐标系模型,与原始螺旋桨气动试验数据加以对比验证。结果表明优化翼型的升力系数和升阻比提升明显,具备更优异的气动特性;重构优化的改进型螺旋桨最大效率为81.40%,最大拉力提升12.66%,更好满足电动飞机的飞行需求,有效引导工程优化设计思想。

与常规飞机相比,电动飞机在气动布局方面采用了更大的展弦比,在气动力作用下弹性变形更加明显。针对双座电动飞机风洞试验模型,采用计算流体力学/计算固体力学(computational fluid dynamics/computational structural dynamics,CFD/CSD)流固耦合方法分别计算了机翼有无弹性变形的气动力特性,并与面元法和风洞试验结果进行比较。结果表明,受弹性变形影响后升力系数增加,阻力系数减小,相同升力系数下的升阻比几乎没有变化,弹性变形对俯仰力矩系数影响显著,变形后的纵向静安定裕度显著提高。采用面元法计算气动弹性变形的方法计算高效,升力系数误差在10%以内,能满足工程实际应用;CFD/CSD流固耦合计算与风洞试验结果更接近,升力线斜率较风洞试验低7%;变形后的纵向静安定性随迎角有增大趋势,与风洞试验结果一致;弹性变形对机翼扭矩影响较大。

作为电动飞机的一项关键技术,分布式螺旋桨推进已成为绿色航空未来发展的重要研究方向。本文以结合多参考系(MRF)的RANS方法作为气动性能分析手段,采用Kriging代理模型对分布式螺旋桨的安装位置对全机气动性能的影响进行了建模研究,并对基准构型和优选构型的流动进行了对比分析。结果表明,螺旋桨往前方移动后全机的升阻比增大;相对于原始构型,优选构型的上表面低压区面积明显增大,吸力峰明显增强,下表面的压强增大,低压区域减少,分布式电推进系统的效率得到有效提升。本文的研究能够支撑以分布式螺旋桨为动力的电动飞机的总体设计,为螺旋桨的安装提供有效参考,从而进一步提升电动飞机的经济性。

电动飞机在近海面飞行时会受到水面效应的影响,而对飞机近海面飞行气动特性的研究既可以为飞行员的训练提供必要的理论支撑,也可以为其他相关类型飞机的设计提供参考,但相关的数值研究多停留在机翼层面。本文基于STAR-CCM+软件,采用欧拉多相流模型和VOF(Volume of Fluid)法,建立了电动飞机近海面飞行的数值模拟方案,在空气域内模拟结果与风洞实验数据对比误差较小,证明了该方案的准确性。论文研究了距水面高度、迎角和海况不同时自由液面对飞机近海面飞行特性的影响。发现了当飞机高度降低时,飞机出现升力系数增大、阻力系数减小的现象,当飞机继续抵近海面时水面效应的增升效果会减小直至触水后彻底消失,升力系数要先于阻力系数发生变化。研究结果表明飞机在近海面飞行时,水面效应区有效利用的前提是必须严格控制飞行高度,离水面过低...

电动飞机作为未来绿色航空的发展方向,引起了各国的广泛关注。电动飞机大多采用大展弦比气动布局,在飞行中机翼弹性变形较大,风洞试验测试的焦点结果不能较好地反映实际飞行要求。为了确定轻型电动飞机的重心范围以及得到飞行中准确的焦点位置,以某型碳纤维复合材料电动飞机为例,建立定常直线平飞和定常盘旋机动飞行的数学模型;基于盘旋机动飞行试验获得测试数据,采用物理解算法辨识得到实际飞行的焦点,并与风洞试验测得的焦点位置进行对比。结果表明盘旋机动飞行试验辨识的飞机焦点位置要比风洞试验的结果靠前;对于展弦比较大且采用大量复合材料的电动飞机而言,在飞行过程中实际焦点位置与风洞试验结果有一定的差距,采用物理解算法辨识得到的焦点位置更接近于实际状态。

为了验证某型大展弦比电动飞机气动设计的合理性以及为飞行性能及品质计算提供数据,采用有限体积法离散求解三维可压雷诺平均Navier-Stokes方程,并选用Spalart-Allmaras湍流模型对该电动飞机流场进行CFD数值模拟。结果表明,该型电动飞机气动设计合理,巡航速度升阻比最高可达23,具有较高气动效率;通过CFD数值模拟得到了全机升力系数、阻力系数和升阻比。为了验证CFD计算结果,对该型电动飞机进行了缩比模型风洞实验,结果显示,CFD数值模拟法计算结果与风洞实验结果高度吻合,说明CFD计算结果准确。该方法可为大展弦比电动飞机气动设计提供指导。