● 摘要
大型客机超临界机翼设计需要在满足阻力发散特性、跨声速抖振特性等约束条件下尽可能提高巡航点升阻比，而机翼的巡航点升阻特性、阻力发散特性及跨声速抖振特性均与机翼表面的激波强度及位置密切相关，因此寻找或开发一种手段以实现对激波进行控制就显得极有意义。激波控制鼓包作为一种简单的被动控制手段，通过在激波位置附近添加微小扰动以达到削弱激波强度、稳定激波位置的目的，已经被证明是可以提高翼型及机翼的升阻比、扩大跨声速抖振边界及改善阻力发散特性的。本文结合大型客机超临界机翼设计实践，开展了激波控制鼓包参数化研究及优化设计，其中主要工作及成果如下：1. 对激波控制鼓包降低波阻、扩大跨声速抖振边界的机理进行了系统分析，并首次提出激波控制鼓包可以通过降低波后逆压梯度以实现稳定分离泡大小及位置，最终达到扩大翼型及机翼抖振边界的目的。2. 利用iSIGHT优化软件，搭建了基于CFD的激波控制鼓包优化设计平台，并通过降低网格数量、利用基本外形的收敛流场开始激波控制鼓包外形的续算、增加CFD隐式格式求解的Courant数、减小迭代计算步数以及利用网络进行分布式计算相结合实现了优化过程中速度与精度的矛盾统一。3. 以RAE2822翼型为研究对象，以改进了的Hicks-Henne型函数为激波控制鼓包外形描述函数，将翼型表面压力形态分为顺压梯度和逆压梯度两类，分别开展了以鼓包长度、高度、最高点位置及最高点与激波之间间距为主要控制参数的研究，并得出了具有指导意义的定性及定量结论。4. 分别以RAE2822翼型、Wing1超临界机翼及C919翼身组合体为基本外形，利用本文基于iSIGHT搭建的CFD优化设计平台，开展了以提高巡航点附近升阻比、扩大跨声速抖振边界及改善阻力发散特性为目标的多点优化设计。多点升阻比优化结果表明激波控制鼓包可以在不牺牲巡航点附近升阻特性的情况下降低巡航点波阻，在基本外形巡航点激波强度较弱的情形下减阻幅度约为5counts；兼顾了巡航点升阻比的多点抖振边界及阻力发散特性优化结果表明，激波控制鼓包可以在对巡航升阻比基本不造成损失的情形下，将巡航马赫数附近的抖振起始迎角提高约0.5度，对应升力系数提高约5%，同时明显改善阻力发散特性。