[科普中国]-后体气动力

气动力

物体与空气作相对运动时作用在物体上的力，简称气动力。它由两个分布力系组成：一是沿物体表面面元法线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。空气动力通常就是指这两个力系的合力。以飞行器(如飞机)为倒，为便于对飞行器的运动规律进行分析，通常取一个原点位于飞行器重心的气流坐标系，将空气动力分解为三个方向上的分量。设坐标系的x轴平行于气流方向且正向与气流方向相反，y轴在飞行器对称面内与x轴垂直且正向指向飞行器上方，z轴垂直于xy平面，指向右翼，则合力在x、y、z三个轴上的分量分别称为阻力、举力和侧向力。若空气动力作用点与飞行器重心不重合，则飞行器还受到一个合力矩的作用，它在x、y、z三个轴上的分量分别称为滚转力矩、偏航力矩和俯仰力矩。

飞行器所受的空气动力与它的飞行速度、高度和飞行姿态有关。空气动力的分布和大小是飞行器结构和强度设计的依据，而且关系到飞行器的飞行性能、操纵性能和稳定性。空气动力学的一个主要任务就是确定飞行器的空气动力。确定空气动力需要知道空气的性质和运动规律。相应于低速流动、亚声速流动、跨声速流动、超声速流动、高超声速流动、稀薄气体流动和高温气体流动等不同情况，空气动力的分析有不同的理论和实验方法。1

尾吊布局后体气动优化设计研究介绍与翼吊布局相比，尾吊布局飞机的机翼上流场均匀、升力面连续，机翼升力特性有较大提高；机翼与发动机之间干扰阻力明显减小；单发停车状态下偏航力矩较小；发动机后置，对于民用客机来说，可降低客舱噪声，提高舒适性。但是尾吊布局也存在很多不利的影响，例如在特大迎角下，机翼和短舱以及挂架会对平尾形成气流遮蔽，使平尾和升降舵效率严重损失甚至完全失效，出现“深失速锁定”现象，机身、短舱和挂架之间的干扰等，如果设计不好会造成干扰阻力的激增，局部出现强激波甚至是分离流动，降低飞机的气动效率。因此需要综合考虑机体、挂架和短舱之间的干扰，进行一体化设计，降低或消除不利干扰，提高飞机的气动效率。

后体减阻设计由来已久，对于翼吊布局的飞机，机身后体减阻设计主要是在满足擦地角、装载空间、结构布置等约束下对机身后体进行几何修型以减小机身的压差阻力，国内外学者对机身后体参数的影响和后体流动控制等方面进行了大量的研究。而对于尾吊布局来说，后体减阻设计与短舱和挂架的几何安装位置是分不开的，事实上短舱与后体机身的干扰阻力是尾吊布局后体减阻关注的主要方面。

某研究采用多学科优化设计方法对短舱在后机身的安装位置进行了研究。王志栋和何小亮等对尾吊布局机体短舱一体化设计作了详细的讨论，指出尾吊发动机对机翼来说既有降低升力系数的不利干扰，也存在着减小激波强度、降低波阻系数的有利干扰；对机身的影响是由于机身、短舱和挂架三者形成了一个收缩－扩张通道，气流通过该通道容易产生过高速度而引起分离。机翼气动特性主要受发动机纵向安装位置的影响，而纵向位置一般受重心布置影响不宜有太大的变化；机翼洗流下受发动机的进气量、发动机表面不能有强激波、发动机推力线与机身轴线的夹角等约束，发动机安装的俯仰角、内偏角、滚转角在确定了之后也不应有太大变化，而且较小的发动机安装位置变化对机身、短舱和挂架之间的通道曲率变化改变甚微。基于此，该研究针对某尾吊布局飞机，在短舱安装位置固定的情况下对机身后体进行修型设计，建立了适用于尾吊布局飞机机体短舱挂架一体化设计的优化设计系统，采用该系统进行优化设计以减小机身与发动机的干扰阻力；对考虑短舱挂架影响的机身后体减阻优化设计问题进行研究，并对流场特征进行了分析，对减阻机理进行了探究。

气动优化设计系统主要涉及参数化方法、动网格技术、计算流体力学（CFD）技术和优化算法等方面的技术。诸如研究尾吊布局飞机机体和发动机一体化设计这样的复杂构型，对参数化方法和动网格技术有着比较高的要求。2

研究结论利用任意空间的 FFD参数化方法，结合基于紧支函数的 RBF 动网格技术，并采用改进的 DE算法和 Kriging代理模型建立了鲁棒性较强的气动优化设计系统，将该优化设计系统用于考虑发动机干扰的机身后体减阻优化设计研究。

1）通过测试函数表明改进的 DE算法具有较快的收敛速度，提高了优化效率；在后体减阻优化搜索中得到了2.67%的阻力减小量，说明了该算法的有效性。

2）所建立的优化设计系统能够有效地进行局部变形控制。在保证挂架基本不变的同时，能够给予机身后体足够大的扰动，并保证曲面过渡光滑。说明该设计系统能够用于复杂构型及复杂问题的研究，有较强的应用前景。

3）在保证发动机和挂架不变的情况下，通过改变机身与短舱之间的流管形状，消除了机身后体、挂架和短舱干扰造成的局部流动分离现象，削弱了激波强度，使总阻力减小了2.67%，获得了比较明显的减阻效果。设计结果表明，机身后体与短舱外形之间需要很好的匹配，避免两者之间产生较高的超声速流。2