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低雷诺数翼型气动外形优化设计及其应用

作　者: 陈学孔
导　师: 郭正
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 力学
关键词: 小型无人机低雷诺数翼型翼型参数化气动外形优化设计功率因子太阳能无人机
分类号: V221
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

高性能翼型的研制是飞行器研制中的一项基础性研究,其气动性能对飞机气动性能具有决定性影响。当前小型无人机成为无人机领域的研究热点,低雷诺数翼型的气动性能对小型无人机更加重要,对低雷诺数翼型进行气动优化和研究成为必要环节。作为气动外形设计学科的分支,基于CFD技术的气动外形优化设计成为当前气动外形优化设计领域的重要方法,具备明显效果。为充分实现气动外形优化设计的功能,除了要提高CFD数值计算的精度和效率外,几何模型参数化方法、实验取样、代理模型、优化算法等都需要开展进一步的研究,优化设计的应用领域也需要不断拓展。为此,本论文以低雷诺数翼型气动外形优化设计为主题,主要完成了以下几个方面的研究工作:(1)介绍了基于CFD技术的气动外形优化设计的原理与基本框架,设计了低雷诺数翼型气动外形优化的基本方法。对构成本文低雷诺数翼型气动优化的翼型参数化方法、实验取样、CFD数值模拟、Kriging代理模型、遗传算法进行了学习研究。(2)研究了多种翼型参数化方法,对当前通用的Hicks-Henne型函数及Parsec方法进行了深入研究,比较了各自的优缺点及对翼型参数化描述的影响,并进行了原因分析。最终使用改进的Hicks-Henne型函数进行翼型参数化描述,解决了传统上翼型描述失真或翼型尾部描述不充分的问题,最后对优化中翼型设计变量的取值规律进行了总结。(3)对翼型单点优化和多点优化进行了研究,实现了以升阻比最大为目标的翼型单点气动外形优化设计,并以功率因子为目标,实现了翼型的多点优化设计,增强了飞行中飞行器的飞行稳定性,减小了飞行功耗。(4)把论文多点优化所得翼型应用于小型太阳能无人机,制造出样机并进行了飞行实验,对飞机平飞功率进行了测量,结果表明,飞机平飞最小功率需求仅为50瓦,实现了预期设计目标。

全文目录

摘要  9-10
ABSTRACT  10-12
第一章绪论  12-23
  1.1 低雷诺数翼型  12
  1.2 研究背景和意义  12-19
    1.2.1 高性能翼型研究的意义  12-13
    1.2.2 小型无人机的发展及对低雷诺数翼型研究的需求  13-18
    1.2.3 论文进行低雷诺数翼型优化研究的意义  18-19
  1.3 气动外形优化设计  19-21
  1.4 本文主要工作和内容  21-23
第二章优化方法  23-35
  2.1 均匀试验设计方法  23-26
    2.1.1 概述  23-25
    2.1.2 均匀试验设计  25-26
  2.2 Kriging 代理模型  26-30
    2.2.1 代理模型概述  26-28
    2.2.2 Kriging 模型原理  28-29
    2.2.3 Kriging 模型拟合精度  29-30
  2.3 优化算法  30-35
    2.3.1 遗传算法介绍  30-31
    2.3.2 基本遗传算法及实现技术  31-35
第三章流场数值模拟  35-47
  3.1 概述  35-37
  3.2 计算网格  37-41
  3.3 数值模拟计算  41-47
    3.3.1 引言  41
    3.3.2 CFD 数值模拟结果对比验证  41-44
    3.3.3 CFD 数值模拟计算  44-47
第四章翼型参数化建模  47-57
  4.1 参数化建模方法介绍  47-49
  4.2 Parsec 参数化方法  49-53
  4.3 Hicks-Henne 型函数  53-54
  4.4 改进Hicks-Henne 型函数  54-57
第五章低雷诺数翼型单点/多点气动优化  57-70
  5.1 翼型单点/多点气动优化介绍  57-58
  5.2 翼型单点气动优化  58-64
    5.2.1 单点优化设计思想  58-59
    5.2.2 单点优化设计结果与分析  59-64
  5.3 翼型多点气动优化  64-68
    5.3.1 多点优化设计思想  64-66
    5.3.2 多点优化设计结果分析  66-68
  5.4 单点优化与多点优化设计经验  68-70
第六章成果应用  70-76
  6.1 概述  70
  6.2 小型太阳能无人机机翼设计  70-73
  6.3 小型太阳能无人机地面及飞行实验  73-76
第七章总结与展望  76-79
  7.1 论文的主要研究工作  76
  7.2 论文的创新点  76-77
  7.3 未来研究工作展望  77-79
致谢  79-80
参考文献  80-85
作者在学期间取得的学术成果  85-86
附录A 均匀试验设计表  86-88
附录B 功率因子及功率  88-89

低雷诺数翼型气动外形优化设计及其应用

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