降雨条件下机翼气动性能的分析研究

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降雨是危及航空安全的重要天气因素。当飞机在降雨条件下飞行时，尤其是在起飞、着陆或复飞阶段，降雨会造成机翼的升力系数和临界迎角减小，阻力系数增加，严重威胁飞行安全。随着我国大飞机事业的发展和人类对全天候飞行需求的提高，开展降雨条件下机翼的气动性能研究具有重要意义。在降雨条件下，机翼表面的多相流环境十分复杂。部分雨滴与机翼表面发生高速碰撞，溅射出大量的小液滴，这些小液滴凝聚在机翼前缘附近，形成雾层；在雾层下方，部分雨滴滞留在机翼表面形成连续而稀薄的水膜层，受后续雨滴的撞击和气流摩擦力的作用，水膜层表面会有凹坑和水纹出现；在水膜层区域的下游，受表面张力和气流剪切力的共同作用，水膜层会变得不稳定，破裂后形成小溪流。无论是水膜层及其表面的凹坑、波纹，还是小溪流，均类似于粗糙度元素，严重影响了机翼表面的光滑性；此外，溅射小液滴与边界层气流之间还存在强烈的相互作用，会引起边界层的能量损失。上述因素都会造成机翼的气动性能损失。近三十年来，国外关于降雨条件下机翼的气动性能研究所采取的手段以理论分析和风洞试验为主，飞行测试和数值模拟较少且尚未成熟。在国内，这一研究还处于起步阶段，相关的文献少见。本文首先采用数值模拟方法针对降雨条件下机翼的气动性能进行了分析研究，但由于目前多相流数值模型无法综合考虑雨滴溅射和水膜层表面粗糙度对机翼气动性能的影响，因此，本文还采用人工神经网络建模方法针对降雨条件下机翼的气动性能进行了预测，为满足飞机全天候飞行的需求提供一定的参考价值。本文所做的工作主要有以下几个方面：1．简述了降雨的自然特性以及降雨对飞机飞行安全的影响，重点介绍了国内外关于降雨条件下飞机气动性能的研究现状，讨论了目前关于降雨条件下机翼气动性能研究的方法和内容。2．根据实际的飞行条件，采用基于压力的耦合算法计算了不同飞行条件下的空气流场控制方程，为计算降雨条件下机翼表面的雨滴撞击特性和水流特性提供了准确的流场信息。3．分别采用拉格朗日法和欧拉两相流法计算了降雨条件下机翼表面的雨滴撞击特性。此外，还研究了各种飞行和气象条件对雨滴撞击特性的影响。4．针对降雨条件下机翼表面的水流特性，分别建立了单颗液滴溅射的动力学模型、翼面水膜层流动模型和水膜层表面粗糙度模型，并对上述模型进行了验证与分析。5．从转捩流动的物理特征出发，引入间歇函数对SST湍流模型的Wilcox转捩模式进行了修正，为提高降雨前后翼型气动性能的计算精度和研究降雨条件下翼型气动性能的变化机理奠定了基础；详细论述了降雨条件下翼型气动性能的预测方法。其中，水膜层采用沿壁面法向增长的方式施加到翼型表面；水膜层表面粗糙度的处理分别采用湍流模型中嵌入粗糙度或动态网格模拟粗糙度的方法。在此基础上，分别对不同的降雨条件下NACA 64-210翼型和NACA 4412翼型的气动性能进行了研究。6．建立了降雨条件下机翼气动性能的神经网络预测模型，然后在给定的降雨条件下对机翼的气动性能进行了预测。