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?翼型、葉柵空氣動力學重點實驗室在高超聲速翼型和機翼寬速域氣動設計方面取得進展
2019-09-10 15:20   審核人:

 

翼型、葉柵空氣動力學重點實驗室韓忠華教授團隊在高超聲速設計空氣動力學領域取得進展,發明了一種新概念高超聲速翼型,發展了一種高效全局的寬速域氣動優化設計方法,并證明翼型對高超聲速飛行器設計仍然重要。近日,基于相關研究成果撰寫的論文“Surrogate-Based Aerodynamic Shape Optimization of Hypersonic Flows Considering Transonic Performance”發表于航空航天領域SCI 1區期刊Aerospace Science and Technology (論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.ast.2019.105345)。此論文第一通訊單位為西北工業大學,通訊作者是韓忠華教授,第一作者為航空學院2017級碩士研究生柳斐,合作單位為中國航發四川燃氣渦輪研究所和北京空天技術研究所。該研究項目獲得國家自然科學基金項目資助,并得到了合作單位的大力支持,研究成果目前已獲得成功應用。

隨著空間探索與空間應用活動的日益頻繁,人類對于快速、高效、廉價的空天運輸的需求日趨迫切。因此,能從地面起飛,經歷多個速域和飛行階段的高超聲速飛行器成為未來航空航天領域的重點發展方向之一。然而,各個速域對于飛行器氣動外形/構型的要求往往相互矛盾,設計一個具有良好寬速域氣動特性的外形顯得困難重重。

為解決上述問題,韓忠華教授從八年前就開展了相關研究。2011年,宋文萍教授帶領課題組與北京某研究所合作開展關于高超聲速翼型的基礎研究,剛從DLR留學回來的韓忠華教授具體負責這項研究。大家知道,在高超聲速流動條件下,翼型的影響其實并不顯著。因此,每次開評審會,都不乏質疑的聲音。高超聲速條件下還有沒有翼型的概念?到底研究高超聲速翼型有沒有意義?在一次匯報會上,合作單位領導提出:你們是國家級實驗室,是我們國家專門研究翼型的,你們能不能發揮專長和優勢,搞出一種新概念高超聲速翼型。由此,韓忠華教授堅定了發明一種新概念高超聲速翼型的想法。他帶領團隊老師和研究生系統開展了CFD數值模擬研究,總結了翼型在不同速域的增升減阻流動機理,基于這些認識,結合所發展的基于代理模型的全局優化方法和手動修型技術,經歷了多次失敗,終于在2015年取得突破,得到了一種性能優異的新概念寬速域翼型(NPU-Hyper-04),并獲得了國家發明專利(ZL201610246929.1)。該翼型具有與眾不同的外形和特殊的流動機理,不僅可以提高高超聲速升阻比,還保持了優良的亞跨聲速性能。在項目結題及鑒定會上,這項成果得到了評審專家肯定。

2017年,團隊進一步改進CFD分析和優化設計方法,得到了不同厚度和前緣半徑的系列寬速域翼型。2018年,團隊采用德國桑格爾號空天飛機機翼平面外形開展三維優化設計和評估,證實在二維翼型研究中發現的特殊流動機理在三維機翼上也可以實現。2019初,發明的翼型和寬速域設計方法的有效性在與另一家單位合作中再次得到證明。

八年磨一劍,翼型、葉柵空氣動力學重點實驗室韓忠華教授團隊發明的高超聲速翼型,能夠有效提升高超聲速飛行器的寬速域氣動性能,回答了高超聲速條件下還有沒有翼型的概念?研究高超聲速翼型還有沒有意義?的問題,為高超聲速飛行器氣動設計提供了新的思路與方法。

 

    圖 1 韓忠華教授團隊發明的新概念高超聲速翼型

    (專利號:ZL201610246929.1

 

    圖 2基于代理模型的多輪次氣動優化設計方法

 

     圖 3 配置不同翼型的高超聲速飛行器機翼寬速域氣動特性對比

 

(撰稿:韓忠華 審核:張偉偉)

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