飞行汽车地面效应空气动力学特性研究
地面效应非线性空气动力学问题是飞行汽车这一类新型飞行器伴随的关键科学问题，这一问题将对飞行汽车的高效、安全运行造成隐患，急需开展相应的研究，以期获得对飞行汽车地面效应非线性空气动力学的新认识和新机理。 为了探究地面效应的非线性空气动力学现象，首先通过数值模拟方法，探究了地面效应对二维翼型气动性能的影响规律。结果表明：①在地面效应作用下，机翼升力随离地高度（??/c）呈非线性变化趋势，当0.2≤??/c≤1时，升力系数随离地高度降低而增大；当??/c减小到0.1时，升力系数反而降低。②地面效应使机翼下翼面压力系数增大、上翼面压力系数降低。当下翼面的增加量大于上翼面的减小量时，整体升力增大；反之，整体升力减小。 其次，为了进一步探究地面效应非线性空气动力学现象的作用机理，本文在闭口低速回流式风洞中对自主设计的飞行汽车模型进行了天平测力实验及PIV流场实验研究。测力结果表明：随着离地高度的降低，升力系数及升阻比呈现非线性变化趋势。在20m/s风速下，当离地高度减小到接近2倍弦长时，升阻比增长率可达55%。流场图像显示：随着离地高度的降低，飞行汽车与地面间的流动通道变窄，使机翼下表面气流的动能转化为压力势能，产生类似于高压气垫的作用效应。这种效应主要有两方面的影响：①下表面的压强增大，使机翼上、下表面压强差增大，升力增加；②翼尖涡结构向上移动，导致垂直向下的诱导速度分量减小，在翼尖处下洗强度减弱。同时，翼尖涡结构向外移动，使得三维机翼的有效展弦比增加，从而减小诱导阻力。 最后，利用PIV实验拍摄中所获得的大量图像数据，通过数据驱动的建模方法（DMD动力学模态分析）对飞行汽车地面效应非线性流动特性进行降阶研究和流场重构。降解后的漂移模态及共轭模态图像显示：地面效应作用时，各阶模态能量幅值均有所降低。具体表现为：流场结构随时间变化减慢，尾部流场振动频率减弱、涡结构更为离散。此外，模态系数表明：地面效应作用主要是通过降低高阶模态的能量，将大尺度旋涡破碎为更多数量的小尺度旋涡，来提高飞行汽车整体的气动性能。从重构的流场旋涡结构和原始流场旋涡结构来看，在时间上和空间上基本是一致的，这为将来对飞行汽车的流场特征以及涡结构的准确预测提供了一种方法。
飞行汽车;空气动力学;地面效应;升力系数
西华大学
硕士
动力工程及工程热物理
杜海
2022
中文
V212
2022-11-18（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）