远程民机变弯度机翼后缘外形变形矩阵气动设计

doi:10.7527/S1000-6893.2022.27335

流体力学与飞行力学

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 | 后一篇

远程民机变弯度机翼后缘外形变形矩阵气动设计

李春鹏¹(), 钱战森¹, 孙侠生²

^1.中国航空工业空气动力研究院高速高雷诺数气动力航空科技重点实验室，沈阳 110034
^2.中国航空研究院，北京 100012

收稿日期:2022-04-28 修回日期:2022-06-01 接受日期:2022-07-22 出版日期:2023-04-15 发布日期:2022-08-03
通讯作者: 李春鹏 E-mail:xincewei@163.com
基金资助:
国家级项目

Trailing edge deformation matrix aerodynamic design for long-range civil aircraft variable camber wing

Chunpeng LI¹(), Zhansen QIAN¹, Xiasheng SUN²

^1.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on High Speed and High Reynolds Number Aerodynamic Force Research，AVIC Aerodynamics Research Institute，Shenyang 110034，China
^2.Chinese Aeronautical Establishment，Beijing 100012，China

Received:2022-04-28 Revised:2022-06-01 Accepted:2022-07-22 Online:2023-04-15 Published:2022-08-03
Contact: Chunpeng LI E-mail:xincewei@163.com
Supported by:
National Level Project

摘要/Abstract

摘要：

针对远程民机变弯度机翼后缘外形设计问题，从变形矩阵构建角度开展气动优化设计研究。参考指关节变形结构特点确定后缘变形外形参数化方法，基于代理优化算法，结合变形关联约束搭建了后缘外形变形矩阵气动优化设计流程，完成了以升力阶梯变化为特征的巡航任务剖面变形矩阵和由抖振点和阻力发散点构成的非巡航任务剖面变形矩阵的气动优化设计。研究表明，在巡航任务剖面，后缘变形减阻收益随着设计点升力相对基准点变化量的增加而增大，且高升力时的减阻量约为低升力的7~8倍。后缘变形减阻关键在于调整主翼压力分布，对变弯控制剖面偏度不敏感，考虑变形关联约束不会明显降低减阻收益，存在变弯控制剖面偏转规律相同、偏度与升力线性对应，且减阻收益明显的阶梯变形矩阵。在非巡航任务剖面，后缘变形同样具有明显的规律性，可有效降低抖振点的激波强度，但无法有效改善阻力发散。

关键词: 远程民机, 变弯度机翼, 后缘外形变形矩阵, 气动设计, 代理优化

Abstract:

Aerodynamic optimization research on the trailing edge deformation matrix is conducted for the long-range civil aircraft variable camber wing. Geometric parameterization of the deformation shape is determined in combination with the features of knuckle deformation structures，and the aerodynamic optimization design process of the trailing edge deformation matrix is established considering deformational coupling constraints on the basis of surrogate-based optimization algorithm. The deformation matrix for cruise flight profile characterized by lift step variations，and the deformation matrix for non-cruise flight profile composed of the buffeting point and drag divergence point are then obtained. The results show that：the drag reduction benefit of trailing edge deformation for cruise flight profile increased while the lift variation relative to the base point increased，and that the drag reduction quantity in a high lift state is about 7-8 times that in a low lift state. The key to trailing edge deformation drag reduction is to adjust the pressure distribution of the main wing. Since it is not sensitive to the deflection angle of deformation shape control sections，considering deformational coupling constraints has no remarkable impact on drag reduction benefit. Additionally，the step deformation matrix with the same deflection law of the trailing edge deformation shape，a linear corresponding relationship between the deflection angle and design lift，and obvious drag reduction benefit does exist. For the non-cruise flight profile deformation matrix，significant regularity is found from trailing edge deformation as that of cruise flight profile deformation matrix，and the trailing edge shape deformation can effectively reduce the shock wave intensity at the buffeting point，but not for the drag divergence point.

Key words: long-range civil aircraft, variable camber wing, trailing edge deformation matrix, aerodynamic design, surrogate-based optimization

中图分类号:

V211.3

李春鹏, 钱战森, 孙侠生. 远程民机变弯度机翼后缘外形变形矩阵气动设计[J]. 航空学报, 2023, 44(7): 127335-127335.

Chunpeng LI, Zhansen QIAN, Xiasheng SUN. Trailing edge deformation matrix aerodynamic design for long-range civil aircraft variable camber wing[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(7): 127335-127335.

图/表 31

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

表 1

图 9

表 2

图 10

表 3

表 4

图 11

图 12

表 5

图 13

图 14

图 15

图 16

表 6

配平状态阶梯变形矩阵后缘变形外形阻力系数减小量（Ma = 0.85，H = 11 km）

C_L	$Δ C D 1$	$Δ C D 2$
0.576	0.001 46	-0.000 01
0.528	0.000 74	0
0.480	0.000 11
0.432	0.000 07	-0.000 02
0.384	0.000 18	0

表 6

表 7

配平状态新增设计点阶梯变形矩阵后缘变形外形阻力系数减小量（Ma = 0.85，H = 11 km）

C_L	$Δ C D 1$	$Δ C D 3$	$Δ C D 4$	$Δ C D 5$
0.562	0.001 22
0.547	0.001 02	0.000 99		0.000 91
0.533	0.000 82
0.518	0.000 59
0.504	0.000 39	0.000 35	0.000 33
0.490	0.000 20

表 7

图 17

表 8

图 18

图 19

图 20

表 9

图 21

图 22

参考文献 27

1	BOLONJIN A， GILUARD G B. Estimated benefits of variable geometry wing camber control for transport aircraft：NASA TM-1999-206586［R］. Washington，D.C.：NASA，1999.
2	GILYARD G B， GEORGIE J， BARNICKI J S. flight test of an adaptive configuration optimization system for transport aircraft：NASA TM-1999-206569［R］. Washington，D.C.：NASA，1999.
3	NORRIS G. 787 camber tests take off on 777［J］. Flight International， 2006（8）： 13.
4	GILYARD G， ESPANA M. On the use of controls for subsonic transport performance improvement： Overview and future directions： NASA TM-4605［R］. Washington，D.C.： NASA，1994.
5	STRUBER H. The aerodynamic design of the A350 XWB-900 high lift system［C］∥29th Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences，2014.
6	梁煜，单肖文. 大型民机翼型变弯度气动特性分析与优化设计［J］. 航空学报，2016，37（3）：790-798.
	LIANG Y， SHAN X W. Aerodynamic analysis and optimization design for variable camber airfoil of civil transport［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2016，37（3）：790-798 （in Chinese）
7	沈广琛，白俊强，刘南，等. 新型机翼后缘变弯运动机构仿真及其气动影响研究［J］. 西北工业大学学报，2016，34（4）：578-586.
	SHEN G C， BAI J Q， LIU N，et al. Mechanical simulation and aerodynamic analysis on a new type of wing trailing edge variable camber［J］. Journal of Northwestern Polytechnical University，2016，34（4）：578-586 （in Chinese）.
8	何萌，杨体浩，白俊强，等. 基于后缘襟翼偏转的大型客机变弯度技术减阻收益［J］. 航空学报，2020，41（7）：123462.
	HE M， YANG T H， BAI J Q，et al. Drag reduction benefits of variable camber technology of airliner based on trailing-edge flap deflection［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2020，41（7）：123462 （in Chinese）.
9	夏慧，刘沛清，戴佳骅，等. 大型客机后缘铰链襟翼巡航变弯度气动性能数值研究［J］. 民用飞机设计与研究，2021（1）：33-41.
	XIA H， LIU P Q， DAI J H，et al. Numerical study on aerodynamic performance of a large passenger aircraft with trailing edge hinge flap in cruise variable camber［J］. Civil Aircraft Design and Research，2021（1）：33-41 （in Chinese）.
10	LYU Z J， MARTINS J R R A. Aerodynamic shape optimization of an adaptive morphing trailing-edge wing［J］. Journal of Aircraft，2015，52（6）：1951-1970.
11	BURDETTE D A， KENWAY G K， LYU Z J，et al. Aerostructural design optimization of an adaptive morphing trailing edge wing［C］∥56th AIAA/ASCE/AHS/ASC Structures，Structural Dynamics，and Materials Conference. Reston： AIAA， 2015.
12	CHEN P C， ZHOU Z Q， GHOMAN S S，et al. Low-weight low-drag truss-braced wing design using variable camber continuous trailing edge flaps［C］∥56th AIAA/ASCE/AHS/ASC Structures，Structural Dynamics，and Materials Conference. Reston： AIAA， 2015.
13	TING E， CHAPARRO D， NGUYEN N，et al. Optimization of variable-camber continuous trailing-edge flap configuration for drag reduction［J］. Journal of Aircraft，2018，55（6）：2217-2239.
14	BUI T T. Analysis of low-speed stall aerodynamics of a swept wing with seamless flaps［C］∥34th AIAA Applied Aerodynamics Conference. Reston： AIAA，2016.
15	BARTELS R E， STANFORD B， WAITE J. Performance enhancement of the flexible transonic truss-braced wing aircraft using variable-camber continuous trailing-edge flaps［C］∥AIAA Aviation 2019 Forum. Reston：AIAA， 2019.
16	郭同彪，白俊强，杨体浩. 后缘连续变弯度对跨声速翼型气动特性的影响［J］. 航空学报，2016，37（2）：513-521.
	GUO T B， BAI J Q， YANG T H. Influence of continuous trailing-edge variable camber on aerodynamic characteristics of transonic airfoils［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2016，37（2）：513-521 （in Chinese）.
17	聂瑞，裘进浩，季宏丽，等. 主动柔性后缘气动特性优化［J］. 工程热物理学报，2019，40（1）：68-76.
	NIE R， QIU J H， JI H L，et al. Aerodynamic characteristics optimization of active compliant trailing edge［J］. Journal of Engineering Thermophysics，2019，40（1）：68-76 （in Chinese）.
18	梁海朝，曾进远，陈钱，等. 跨声速巡航态连续光滑偏转后缘翼型气动特性［J］. 航空科学技术，2021，32（5）：7-16.
	LIANG H Z， ZENG J Y， CHEN Q，et al. Aerodynamic characteristics of morphing airfoils with continuous smooth trailing edges at transonic cruise condition［J］. Aeronautical Science & Technology，2021，32（5）：7-16 （in Chinese）.
19	王一凡，孙刚，张淼. 考虑转捩点约束的自然层流翼型变弯度设计［J］. 航空计算技术，2018，48（2）：33-36，43.
	WANG Y F， SUN G， ZHANG M. Variable camber optimization design of a natural laminar airfoil［J］. Aeronautical Computing Technique，2018，48（2）：33-36，43 （in Chinese）.
20	李春鹏，张铁军，钱战森. 基于代理模型的自适应后缘翼型气动优化设计［J］. 航空科学技术，2019，30（11）：41-47.
	LI C P， ZHANG T J， QIAN Z S. Aerodynamic optimization design of the airfoil with adaptive trailing edge based on surrogate model［J］. Aeronautical Science & Technology，2019，30（11）：41-47 （in Chinese）.
21	王斌，郝璇，郭少杰，等. 宽体客机巡航机翼变弯度减阻技术［J］. 空气动力学学报，2019，37（6）：974-982.
	WANG B， HAO X， GUO S J，et al. Cruise drag reduction of variable camber wing of wide-body civil transport［J］. Acta Aerodynamica Sinica，2019，37（6）：974-982 （in Chinese）.
22	郭同彪，白俊强，李立，等. 民用客机变弯度机翼优化设计［J］. 中国科学：技术科学，2018，48（1）：55-66.
	GUO T B， BAI J Q， LI L，et al. The morphing trailing-edge wing optimization design of the civil aircraft［J］. Scientia Sinica（Technologica），2018，48（1）：55-66 （in Chinese）.
23	雷锐午，白俊强，许丹阳，等. 考虑抖振特性的变弯度机翼设计研究［J］. 中国科学：技术科学，2020，50（2）：161-174.
	LEI R W， BAI J Q， XU D Y，et al. Research on variable camber wing of civil aircraft considering buffeting characteristics［J］. Scientia Sinica（Technologica），2020，50（2）：161-174 （in Chinese）.
24	PECORA R. Morphing wing flaps for large civil aircraft：Evolution of a smart technology across the Clean Sky program［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2021，34（7）：13-28.
25	LEVY D W， LAFLIN K R， TINOCO E N，et al. Summary of data from the fifth computational fluid dynamics drag prediction workshop［J］. Journal of Aircraft，2014，51（4）：1194-1213.
26	韩忠华，张瑜，许晨舟，等. 基于代理模型的大型民机机翼气动优化设计［J］. 航空学报，2019，40（1）：522398.
	HAN Z H， ZHANG Y， XU C Z，et al. Aerodynamic optimization design of large civil aircraft wings using surrogate-based model［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2019，40（1）：522398 （in Chinese）.
27	韩忠华，许晨舟，乔建领，等. 基于代理模型的高效全局气动优化设计方法研究进展［J］. 航空学报，2020，41（5）：623344.
	HAN Z H， XU C Z， QIAO J L，et al. Recent progress of efficient global aerodynamic shape optimization using surrogate-based approach［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2020，41（5）：623344 （in Chinese）.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	取值
C_L	0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9
单变量取值范围	中弧线旋转角度变量（-10 ~ 10）
4变量取值范围	中弧线比例分段变量（0.15 ~ 0.6）
	前段中弧线旋转角度变量（-10 ~ 10）
	中段中弧线旋转角度变量（-10 ~ 10）
	后段中弧线旋转角度变量（-10 ~ 10）

设计升力系数C_L	单变量	4变量
设计升力系数C_L	中弧线旋转角度量	中弧线分段变量	前段中弧线旋转角度变量	中段中弧线旋转角度变量	后段中弧线旋转角度变量
0.4	-1.5	0.327	-6.11	8	-6.7
0.5	-0.8	0.24	0.163	-1.57	-2
0.6	-0.1	0.2	-0.85	2.27	-2.53
0.7	0	0.5	0	0	0
0.8	0.8	0.287	3.16	-2.52	1.57
0.9	1.4	0.182	6.7	-5.69	3.35
1.0	1.7	0.387	4.81	-5	5.42

C_L	非配平		配平
C_L	ΔC_D	α/（°）	ΔC_D	α/（°）	δ_tail/（°）
0.576	0.001 40	1.85	0.001 48	1.81	-0.44
0.528	0.000 62	1.68	0.000 75	1.62	-0.05
0.432	0.000 03	1.59	0.000 10	1.48	0.59
0.384	0.000 17	1.41	0.000 18	1.30	0.84

状态	C_L	ΔC_D	α/（°）	δ_tail/（°）
非配平	0.48	0.000 25	1.726
配平	0.48	0.000 11	1.543	-0.097

[1]	李昊歌, 杨华, 杨雨欣, 陈伟芳. 高超声速升力体迎风面精细化降热优化设计[J]. 航空学报, 2022, 43(S2): 124-137.
[2]	张盛, 杨宇, 王志刚, 石欣桐. 变弯度机翼后缘偏心梁设计与验证[J]. 航空学报, 2022, 43(6): 525892-525892.
[3]	王一雯, 兰夏毓, 史亚云, 华俊, 白俊强, 周铸. 考虑吸气影响的层流翼型梯度优化设计[J]. 航空学报, 2022, 43(11): 527323-527323.
[4]	左光, 艾邦成. 先进空间运输系统气动设计综述[J]. 航空学报, 2021, 42(2): 624077-624077.
[5]	罗佳奇, 杨婧. 基于伴随方法的单级低速压气机气动设计优化[J]. 航空学报, 2020, 41(5): 623368-623368.
[6]	李润泽, 张宇飞, 陈海昕. 超临界机翼多目标气动优化设计的策略与方法[J]. 航空学报, 2020, 41(5): 623409-623409.
[7]	韩忠华, 许晨舟, 乔建领, 柳斐, 池江波, 孟冠宇, 张科施, 宋文萍. 基于代理模型的高效全局气动优化设计方法研究进展[J]. 航空学报, 2020, 41(5): 623344-623344.
[8]	宋超, 李伟斌, 周铸, 刘红阳, 蓝庆生. 基于流形结构重建的多目标气动优化算法[J]. 航空学报, 2020, 41(5): 623687-623687.
[9]	孙俊峰, 周铸, 黄勇, 庞宇飞, 卢风顺, 许勇. 通用飞行器气动优化设计数字化集成平台——DIPasda[J]. 航空学报, 2020, 41(5): 623348-623348.
[10]	马东立, 张良, 杨穆清, 夏兴禄, 王少奇. 超长航时太阳能无人机关键技术综述[J]. 航空学报, 2020, 41(3): 623418-623418.
[11]	于惠勇, 李华峰, 曾捷, 徐志伟, 黄继伟, 赵启迪. 可变弯度机翼后缘形态重构光纤监测技术[J]. 航空学报, 2020, 41(10): 223808-223808.
[12]	罗佳奇, 陈泽帅, 曾先. 考虑几何设计参数不确定性影响的涡轮叶栅稳健性气动设计优化[J]. 航空学报, 2020, 41(10): 123826-123826.
[13]	陈迎春, 张美红, 张淼, 毛俊, 毛昆, 王祁旻. 大型客机气动设计综述[J]. 航空学报, 2019, 40(1): 522759-522759.
[14]	王科雷, 周洲, 祝小平, 许晓平. 低雷诺数多螺旋桨/机翼耦合气动设计[J]. 航空学报, 2018, 39(8): 121918-121918.
[15]	陈静, 宋文萍, 朱震, 许朕铭, 韩忠华. 跨声速层流翼型的混合反设计/优化设计方法[J]. 航空学报, 2018, 39(12): 122219-122219.

远程民机变弯度机翼后缘外形变形矩阵气动设计

Trailing edge deformation matrix aerodynamic design for long-range civil aircraft variable camber wing

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 31

参考文献 27

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

C_L	下边界逐渐缩小		上下边界同时缩小
C_L	ΔC_D	ΔDC_D	ΔC_D	ΔDC _D
0.576	0.001 48	0	0.001 48	0
0.528	0.000 70	0.000 05	0.000 74	0.000 01
0.432	0.000 08	0.000 02	0.000 09	0.000 01
0.384	0.000 18	0	0.000 18	0