运用CFD计算方法进行数值模拟,采用三维非定常N-S方程并结合重叠网格技术,计算导弹在不同马赫数,攻角和舵偏速度下的各项力和力矩的气动系数。研究发现:鸭舵偏转产生漩涡对尾翼进行干扰,这种干扰随舵偏角的增大而增大;小攻角下弹体和尾翼对导弹轴向力系数的影响很小;马赫数的增大会使鸭舵偏转对导弹法向力系数和俯仰力矩系数的影响减弱;鸭舵动态偏转计算气动力和力矩和稳态情况下计算的结果不一样,且鸭舵偏转速度越快,差异越明显。

使用无人机碰撞拦截无人机是一种有效且成本适中的反制手段。为提高优化设计效率,本文采用雷诺平均Navier-Stokes方程计算流场,并使用Kriging代理模型和基于分解的多目标进化算法(MOEA/D)针对鸭式布局截击型无人机开展气动外形优化设计。设计过程中,以航程和最大可用过载为设计目标,将鸭翼纵向位置、主翼扭转角、展弦比和后掠角作为设计变量,以静稳定度和鸭翼最大偏转角为约束,得到了分布均匀的Pareto前沿,优化后的无人机航程与最大可用过载较基准外形分别提升了24.6%和6.4%,证明了该优化方法的有效性。

优化载重性能的气动布局设计是当前无人机研究重要方向,为提高物资运载能力和结构性能,基于连接翼、双机身、鸭式布局设计,提出一种新型双机身鸭式布局无人机,采用FLUENT详细研究了两种飞行速度下的升阻特性、压力云图、涡量分布等。研究结果表明,双机身鸭式布局无人机具有较高的升阻性能,速度提高时,升力系数增加而阻力系数减小,速度由30 m/s增加到60 m/s时,最大升力系数增加7.6%,升阻比增加4.8%;从表面压力云图看,升力主要贡献为前机翼、鸭翼和后机翼,失速迎角前后,后机翼未受前机翼和鸭翼气流干扰,提高了无人机的失速特性;巡航迎角状态的涡量较弱,仅在翼梢及部件连接处出现,失速迎角前后,翼梢、部件连接处涡系增强,且产生了干扰,机翼表面趋于分离。

为了研究鸭式布局弹箭正弦打舵滚转控制时非对称姿态飞行的气动特性,根据滚转周期内的飞行姿态建立了4组模型,进行风洞实验,得到全弹的气动力变化规律;采用基于三维Navier-Stokes方程求解的时空二阶精度的隐式迭代算法,建立数值计算模型,对流场进行数值模拟,得到不同攻角下飞行时的弹箭各部件气动力数据。结果表明数值模拟气动力数据与风洞实验结果有相似的变化规律。采用后处理软件分析了鸭舵下洗对尾翼的影响,得到结论鸭式布局弹箭鸭舵洗流对尾翼干扰明显,非对称姿态下鸭舵对尾翼的洗流会使弹箭产生诱导滚转力矩,且该滚转力矩随攻角增大而增大。

可动双翼鸭舵式新型迫击炮弹的气动布局区别于传统固定鸭舵式修正迫弹,表现出不同的气动特性。基于计算流体动力学方法,采用气动分析软件对某新型迫弹进行气动仿真计算,获得不同条件下弹丸的阻力系数、升力系数和俯仰力矩系数变化规律及舵翼的受力情况。数值模拟结果表明弹丸的阻力系数、升力系数和俯仰力矩系数随攻角和马赫数的增加而增大;舵翼力随舵偏角和马赫数的增加而增大;双翼鸭舵式迫弹整体气动特性良好。计算结果对可动舵翼修正弹的研究及设计具有一定的参考价值。

鸭式布局指空气舵位于飞行器前部,与正常式布局相比,鸭式布局空气舵的控制效率高、响应快、升阻比大,可以实现飞行器较小外包络尺寸约束下的强机动、高过载需求。同时,鸭舵尾迹作用在弹身/尾翼上产生较强的三通道气动耦合问题。通过对鸭舵控制三通道耦合机理的研究,针对鸭舵控制耦合的问题给出工程解决方案。

本文通过风洞旋转测力试验针对鸭式布局旋转导弹的舵翼干扰问题进行了研究。采用风洞试验方法对于不同舵翼周向角气动数据进行分析,得到转速随舵翼周向角变化规律;运用四点、八点平均获得的法向力系数与旋转情况下测得的平均法向力系数基本一致,可采用准定常方法解决旋转弹纵向气动问题;小攻角下洗流干扰强烈,使得纵向气动性能波动较大;通过研究得到了舵翼干扰造成的马格努斯效应随转速及攻角变化的波动规律,马格努斯力与力矩在中等攻角下随攻角非线性变化较大且产生的绝对值也较大。

为揭示鸭式布局非定常运动中鸭翼高度对战机纵向气动特性的影响,采用回流水槽测力实验和CFD数值模拟两种手段研究不同鸭翼高度下的鸭式布局(g/cw分别为-0.15、-0.05、0、0.05和0.15)进行低频与高频(k分别为0.0375和0.6000)俯仰振荡的过程。结果表明与主翼升力系数相比,鸭翼高度的变化对鸭翼升力产生的影响更为明显。在低频上仰阶段,低置布局的鸭翼涡更易受到下游主翼的干扰作用发生双螺旋破裂,导致鸭翼升力系数明显减小;在低频下俯阶段,低置布局的鸭翼涡也更难重新恢复。在高频上仰阶段,由于鸭翼前缘有效迎角的明显减小,低置与高置布局的鸭翼涡均优先生成于下翼面;在高频下俯阶段,与高置布局相比,低置布局鸭翼涡残留的对流速度更快,导致同等迎角下后者鸭翼的升力系数更低。对主翼而言,高置布局在低频上仰时拥有更高的最大主翼升力系数,但在高

本文通过对鸭式气动布局及飞翼式气动布局无人机进行大数据分析,对结果进行总结,结合飞翼布局和鸭式布局结构的优点,建立起三维气动模型,设计了一款鸭式-飞翼气动布局无人机。该型无人机具有更慢的巡行速度、更小的转弯半径、更高的灵活度、更好的操作性、更高的运载能力,使得固定翼无人机任务范围得到进一步扩大。

为探讨鸭式布局飞机全机流场随迎角的演变规律，分别对无鸭翼布局与鸭式布局两种情况于北航大水洞进行了染色液流场显示实验。同时，为与水洞结果对比分析，给出了风洞测力部分结果。鸭式布局模型除鸭翼以外。包括机身、基本翼、翼关小边条及垂尾和腹鳍，其中鸭翼相对机身负偏10°。显示结果表明，对两种布局而言，涡系结构都非常复杂。无鸭翼布鸭式布局的机身涡由于鸭翼存在强度变弱，边条涡与翼根涡绕合趋势增强，两涡最终合并为单一集中涡并向外翼偏折，且其涡核位置较无鸭翼布局更靠近机翼前缘。鸭式布局主翼涡破裂较无鸭翼布局有所延迟，但鸭翼自身涡系破裂较早。