微型扑翼飞行器非定常运动对平尾的影响

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstrOnauticaSinicaOct．252012VoI．33No．101827—1833ISSN1000．6893CN11—1929／Vhttp：∥hkxbbuaa．edu．cnhkxb《圆buaa．educn文章编号：1000一6893(2012)lo—1827—07微型扑翼飞行器非定常运动对平尾的影响杨茵，李栋*，张振辉西北工业大学航空学院，陕西西安710072摘要：以西北工业大学自行研制的微型扑翼飞行器ASN211为研究对象，利用其简化的二维扑翼及平尾串列翼模型进行了非定常数值模拟，分析了扑翼俯仰运动及沉浮运动对平尾

2、气动性能的影响。在数值模拟模块中，模型的俯仰运动及沉浮运动由动网格技术实现。通过计算流体力学(CFD)软件Fluent对此非定常流场进行数值计算，重点研究了扑翼非定常运动尾流对平尾气动效率的影响。定常状态与非定常时均条件下平尾升力曲线的对比分析表明，扑翼的非定常运动能够增大平尾的失速迎角及最大升力系数，因而使平尾的失速特性得到改善。关键词：微型扑翼飞行器；非定常运动；动网格；平尾；失速中图分类号：V225．1文献标识码：A平尾作为飞机的主要部件之一，对微型扑翼飞行器的作用与常规飞机的一样，也是用来为飞行器提供足够的气动力矩、保障飞机的稳定性和控制能力[1]。由于微型扑翼飞

3、行器具有尺寸小、灵活机动的特点，因此平尾作为一个控制飞机纵向平衡、稳定和操纵性的翼面，其气动性能对飞行控制的作用显得尤为重要L2J。微型扑翼飞行器是一种基于仿生学原理设计和制造的飞行器，它利用扑翼扑动为飞行提供动力‘}8】。虽然扑动飞行是一种十分高效的飞行方式，但扑动产生的非定常流场会对平尾气动性能产生较大的影响。比如，固定翼飞机的平尾在飞机匀速平飞时，仅受到机翼一个恒定的下洗影响，而扑翼周期性运动会使得平尾周周的流场变得十分复杂，这为平尾分析研究带来了一定的困难。扑翼非定常运动产生的尾流对平尾气动性能的影响关系到飞行的性能、飞行器的设计以及飞行器的控制嘲。因此，对于置于

4、扑翼非定常运动产生的尾流中的平尾，其气动性能的分析是一个值得研究的课题。与对扑翼升力、推力以及飞行控制等方面的研究相比，微型扑翼飞行器平尾的分析及其相关结论相对较少。文献[10]～文献[12]对二维翼型振荡产生的尾流结构进行了数值计算以及实验方面的研究，为扑翼运动对平尾影响的研究提供了一定参考。本文在上述文献研究的基础上，通过对简化的扑翼与平尾模型的数值模拟，重点研究了扑翼非定常运动对平尾气动效率的影响，为扑翼飞机的气动设计提供技术参考。1数值方法数值研究使用计算流体力学(CFD)Fluent软件的非定常数值模拟模块，采用有限体积法离散不可压Navier．Stokes方程

5、，并通过分离算法运用隐式格式分别求解各个控制方程。梯度差值选取基于节点的格林一高斯(Green—GaussNode—Based)方法；对流项采用二阶迎风格式；黏性项采用二阶格式；时间离散采用双时间[131方法；湍流模型选取剪切应力输运(ShearStressTransport，收稿日期：2011．11-11；退修日期：2011—12-13；录用日期：2012-01-04；网络出版时间：2012—01—1310：23网络出版地址：www．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V20120113．1023．009．htmI*通讯作者．Tel．：029·88

6、490290E-mail=Idgh@nwpu．edu．cn鞘跨格武IY馘9y，“D·z蛔ngZH．

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11、a范AclaAe∞nauticaetAsnonautjc：asinIca．2012．33t{o)：1827—1833．杨茵．李栋．张振辉．微型扑翼飞行器菲定常运动对平是的影响．航空学报．2012．33(10)：1827．1833。1828航空学报0ct．252012vof．33№．10SST)是一∞模型[14]。1．1动网格技术计算模型的刚体运动及网格变形问

12、题通过Fluent提供的动网格技术解决。Fluent提供了3种动网格模型，分别是弹簧近似光滑模型(Spring-basedSmoothing)，动态分层模型(Dy—namicLayering)和局部重划模型(LocalRemesh—ing)。本文采用弹簧近似光滑模型和局部重划模型相结合的方法来处理网格变形问题。一方面由于计算使用的网格为非结构网格，因此选取弹簧近似光滑模型；另一方面因为数值计算的翼型运动的幅度较大，而网格局部重划模型能够很好地解决由翼型运动引起的网格变形大的问题，从而保证了网格质量。l-2研究模型研究模型选取西