【摘要】：高超聲速飛行器在國防和民用領(lǐng)域都具有非常重要的意義,但在其發(fā)展過程中需要攻克諸多技術(shù)難題,其中氣動問題和熱氣動彈性問題是需要解決的兩個關(guān)鍵問題。目前,高超聲速有翼飛行器通過采用大后掠翼、小展弦比機(jī)翼、薄翼和耐高溫材料等,可以在一定程度上解決飛行器在高超聲速飛行時所產(chǎn)生的氣動阻力和熱氣動彈性問題,但這些措施還未考慮過機(jī)翼采用多層翼布局形式對其熱氣動彈性特性的影響。針對以上問題,論文提出了一種高超聲速雙翼機(jī)翼外形,研究了高超聲速雙翼的翼型優(yōu)化問題。在此基礎(chǔ)上,運用改進(jìn)后Busemann雙翼、非對稱雙翼和可變形雙翼翼型構(gòu)建了三種高超聲速雙翼機(jī)翼,對比研究了三種機(jī)翼的熱氣動彈性問題,為高超聲速飛行器氣動問題和熱氣動彈性問題的研究和解決提供了新的思路。論文主要內(nèi)容如下:研究了Busemann雙翼的升阻比特性。首先考慮增升效應(yīng),推導(dǎo)給出了高超聲速Busemann雙翼氣動特性的理論計算模型,研究分析了Busemann雙翼的升阻比特性,發(fā)現(xiàn)其具有比菱形單翼更高的升阻比;然后考慮減阻效應(yīng),通過對Busemann雙翼激波-膨脹波干涉效應(yīng)的分析,進(jìn)一步說明了Busemann雙翼具有減小阻力提高氣動性能的特點。建立了高超聲速雙翼翼型的理論優(yōu)化模型并優(yōu)化得到一種非對稱雙翼翼型。針對利用CFD優(yōu)化Busemann雙翼翼型時,存在計算量大、計算速度慢的問題,建立了一個能夠快速計算、優(yōu)化和評估高超聲速雙翼翼型氣動特性的理論優(yōu)化模型,并獲得一個非對稱優(yōu)化翼型。同時還建立了一個基于CFD計算值并已驗證計算精度的代理模型,用于對理論模型的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行驗證,結(jié)果表明兩者得到的優(yōu)化翼型基本一致,說明了理論優(yōu)化模型具有較高的計算精度。在此之后,研究了非對稱雙翼在不同工況下的氣動特性,結(jié)果表明非對稱雙翼不能在所有工況下均保持高氣動特性。為進(jìn)一步提升高超聲速雙翼的氣動性能并克服非對稱雙翼翼型的不足,提出了一種高超聲速可變形雙翼,研究了其在不同工況下的氣動特性;同時,針對在給定迎角和馬赫數(shù)條件下選取可變形雙翼的舵面偏轉(zhuǎn)角較為困難的問題,設(shè)計出一種結(jié)合了二分法、遺傳算法和高斯牛頓算法三者優(yōu)勢的優(yōu)化算法,對可變形雙翼在不同工況下的舵面偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行快速選取。計算結(jié)果表明:該算法的計算精度高,能夠滿足高超聲速可變形雙翼在不同工況下的優(yōu)化需求,優(yōu)化后的高超聲速可變形雙翼具有更好的氣動特性。改進(jìn)了傳統(tǒng)雙翼翼型,提高了其在黏性條件下的氣動特性。由于雙翼的浸濕面積幾乎為單翼浸濕面積的兩倍,所以在考慮黏性時,雙翼具有更大的摩擦阻力,結(jié)果導(dǎo)致其升阻比特性并不比單翼的升阻比特性更具有優(yōu)勢,說明傳統(tǒng)雙翼翼型并不太適合高超聲速飛行。針對這一問題,提出將斜激波的入射點從傳統(tǒng)的喉道位置后移至雙翼后緣的思路,通過增加雙翼的間距,提高了雙翼在黏性條件下的升力系數(shù)。結(jié)果表明這一改進(jìn)可以明顯增大雙翼在考慮黏性時的升阻比,并且相對于單翼的升阻比特性也有較大幅度的提高。針對目前在研究高超聲速有翼飛行器的熱氣動彈性靜態(tài)問題時,還未考慮過機(jī)翼采用多層翼布局對其熱氣動彈性靜態(tài)特性產(chǎn)生影響的問題,為此,本文提出了采用雙層翼布局形式解決高超聲速機(jī)翼熱氣動彈性靜態(tài)問題的思路。研究了機(jī)翼的后掠角和梢根比對高超聲速雙翼機(jī)翼氣動特性和結(jié)構(gòu)模態(tài)的影響,提出了一種適用于高超聲速飛行的雙翼機(jī)翼布局形式,并創(chuàng)建了三種高超聲速雙翼機(jī)翼,研究了不同雙翼構(gòu)型對機(jī)翼熱氣動彈性靜態(tài)問題的影響規(guī)律。研究表明:相對于菱形單翼,雙翼機(jī)翼能夠具有更好的熱氣動彈性靜態(tài)特性,氣動加熱效應(yīng)對其氣動特性的影響也更小�？紤]到機(jī)翼采用多層翼布局形式對其熱氣動彈性動態(tài)特性產(chǎn)生影響的問題,提出了采用雙翼布局來解決高超聲速機(jī)翼熱氣動彈性動態(tài)問題的思路�；谠撍悸贩治鲅芯苛穗p翼布局對機(jī)翼臨界顫振速度的影響規(guī)律。結(jié)果表明,相對于菱形單翼,Busemann雙翼和非對稱雙翼機(jī)翼具有更好的熱氣動彈性動態(tài)特性,在同等環(huán)境條件下具有更高的臨界顫振速度;而可變形雙翼機(jī)翼受機(jī)翼舵面剛度等的影響,其臨界顫振速度小于菱形單翼的臨界顫振速度,但其臨界顫振速度仍然很大,能夠滿足高超聲速飛行的需要。
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V211.47
【圖文】：

案是使用兩副機(jī)翼代替常規(guī)的一副機(jī)翼，布局的概念是在 1935 年由 Busemann 為減小超聲速為 Busemann 雙翼，與此同時 Busemann 還分析-68]，圖 1-1 為 Busemann 雙翼的波系圖。

圖 1-2 可變形雙翼前對 Busemann 雙翼的研究多集中于進(jìn)行優(yōu)化的問題上[87-88]，而對 Busema及相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計研究則較少[77-78]。波層薄、黏性干擾大和氣流溫度高等

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