基本介紹
- 中文名：後體氣動力
- 外文名：afterbody aerodynamic force
- 定義：飛機後體所受的空氣動力
- 包括：升力、阻力和側向力
- 一級學科：航空科技
- 二級學科：飛行術語
氣動力,尾吊布局後體氣動最佳化設計,研究介紹,研究結論,
氣動力
物體與空氣作相對運動時作用在物體上的力，簡稱氣動力。它由兩個分布力系組成：一是沿物體表面面元法線方向的法向分布力系，另一是在表面面元切平面上的切向分布力系。空氣動力通常就是指這兩個力系的合力。以飛行器(如飛機)為倒，為便於對飛行器的運動規律進行分析，通常取一個原點位於飛行器重心的氣流坐標系，將空氣動力分解為三個方向上的分量。設坐標系的x軸平行於氣流方向且正向與氣流方向相反，y軸在飛行器對稱面內與x軸垂直且正向指向飛行器上方，z軸垂直於xy平面，指向右翼，則合力在x、y、z三個軸上的分量分別稱為阻力、舉力和側向力。若空氣動力作用點與飛行器重心不重合，則飛行器還受到一個合力矩的作用，它在x、y、z三個軸上的分量分別稱為滾轉力矩、偏航力矩和俯仰力矩。
飛行器所受的空氣動力與它的飛行速度、高度和飛行姿態有關。空氣動力的分布和大小是飛行器結構和強度設計的依據，而且關係到飛行器的飛行性能、操縱性能和穩定性。空氣動力學的一個主要任務就是確定飛行器的空氣動力。確定空氣動力需要知道空氣的性質和運動規律。相應於低速流動、亞聲速流動、跨聲速流動、超聲速流動、高超聲速流動、稀薄氣體流動和高溫氣體流動等不同情況，空氣動力的分析有不同的理論和實驗方法。
尾吊布局後體氣動最佳化設計
研究介紹
與翼吊布局相比，尾吊布局飛機的機翼上流場均勻、升力面連續，機翼升力特性有較大提高；機翼與發動機之間干擾阻力明顯減小；單發停車狀態下偏航力矩較小；發動機後置，對於民用客機來說，可降低客艙噪聲，提高舒適性。但是尾吊布局也存在很多不利的影響，例如在特大迎角下，機翼和短艙以及掛架會對平尾形成氣流遮蔽，使平尾和升降舵效率嚴重損失甚至完全失效，出現“深失速鎖定”現象，機身、短艙和掛架之間的干擾等，如果設計不好會造成干擾阻力的激增，局部出現強激波甚至是分離流動，降低飛機的氣動效率。因此需要綜合考慮機體、掛架和短艙之間的干擾，進行一體化設計，降低或消除不利干擾，提高飛機的氣動效率。
後體減阻設計由來已久，對於翼吊布局的飛機，機身後體減阻設計主要是在滿足擦地角、裝載空間、結構布置等約束下對機身後體進行幾何修型以減小機身的壓差阻力，國內外學者對機身後體參數的影響和後體流動控制等方面進行了大量的研究。而對於尾吊布局來說，後體減阻設計與短艙和掛架的幾何安裝位置是分不開的，事實上短艙與後體機身的干擾阻力是尾吊布局後體減阻關注的主要方面。
某研究採用多學科最佳化設計方法對短艙在後機身的安裝位置進行了研究。王志棟和何小亮等對尾吊布局機體短艙一體化設計作了詳細的討論，指出尾吊發動機對機翼來說既有降低升力係數的不利干擾，也存在著減小激波強度、降低波阻係數的有利干擾；對機身的影響是由於機身、短艙和掛架三者形成了一個收縮－擴張通道，氣流通過該通道容易產生過高速度而引起分離。機翼氣動特性主要受發動機縱向安裝位置的影響，而縱向位置一般受重心布置影響不宜有太大的變化；機翼洗流下受發動機的進氣量、發動機表面不能有強激波、發動機推力線與機身軸線的夾角等約束，發動機安裝的俯仰角、內偏角、滾轉角在確定了之後也不應有太大變化，而且較小的發動機安裝位置變化對機身、短艙和掛架之間的通道曲率變化改變甚微。基於此，該研究針對某尾吊布局飛機，在短艙安裝位置固定的情況下對機身後體進行修型設計，建立了適用於尾吊布局飛機機體短艙掛架一體化設計的最佳化設計系統，採用該系統進行最佳化設計以減小機身與發動機的干擾阻力；對考慮短艙掛架影響的機身後體減阻最佳化設計問題進行研究，並對流場特徵進行了分析，對減阻機理進行了探究。
氣動最佳化設計系統主要涉及參數化方法、動格線技術、計算流體力學（CFD）技術和最佳化算法等方面的技術。諸如研究尾吊布局飛機機體和發動機一體化設計這樣的複雜構型，對參數化方法和動格線技術有著比較高的要求。
研究結論
利用任意空間的 FFD參數化方法，結合基於緊支函式的 RBF 動格線技術，並採用改進的 DE算法和 Kriging代理模型建立了魯棒性較強的氣動最佳化設計系統，將該最佳化設計系統用於考慮發動機干擾的機身後體減阻最佳化設計研究。
1）通過測試函式表明改進的 DE算法具有較快的收斂速度，提高了最佳化效率；在後體減阻最佳化搜尋中得到了2.67%的阻力減小量，說明了該算法的有效性。
2）所建立的最佳化設計系統能夠有效地進行局部變形控制。在保證掛架基本不變的同時，能夠給予機身後體足夠大的擾動，並保證曲面過渡光滑。說明該設計系統能夠用於複雜構型及複雜問題的研究，有較強的套用前景。
3）在保證發動機和掛架不變的情況下，通過改變機身與短艙之間的流管形狀，消除了機身後體、掛架和短艙干擾造成的局部流動分離現象，削弱了激波強度，使總阻力減小了2.67%，獲得了比較明顯的減阻效果。設計結果表明，機身後體與短艙外形之間需要很好的匹配，避免兩者之間產生較高的超聲速流。
