空氣動力學研究中面臨的挑戰與機遇

DYT216空氣動力學多功能實驗臺/多功能風洞/氣體射流實驗臺
DYT008軸流式風機性能實驗臺
DYT372排風罩性能實驗臺
DYT086多功能附面層實驗臺/繞流圓柱體表面壓力分布的測定實驗臺

空氣動力學是研究物體同氣體作相對運動情況下的受力特性、氣體流動規律和伴隨發生的物理化學變化,在流體力學基礎上,隨著航空工業和噴氣推進技術的發展而成長起來的一個學科。空氣動力學的發展對于航空航天飛行器的研制有著極為重要的意義,是航空航天重要的科學技術基礎之一,對經濟發展、社會和諧都有著重要和用。在過去一段時間里,由于航空工業的相對成熟,關于航空領的研究更多的集中于如何通過改進制造過程降低成本,而不再將主要力量投入新技術的研究,但隨著形勢的日益嚴峻、信息化程度的提高以及航空運輸對安全性經濟性的要求,航空技術研究面臨著更多更新的挑戰,使得重新提高了對航空技術研究的關注程度。作為航空航天技術的重要基礎學科之一的空氣動力學,也面臨著全新的機遇和挑戰。

　　1 空氣動力學研究意義和研究現狀
　　1.1 空氣動力學研究意義
　　人們早對空氣動力學的研究可以追溯到人類對鳥或彈丸在飛行時的受力和力的作用方式的種種猜測,但真正形成獨立學科是在20世紀航空事業的迅速發展之后,是在經典流體力學中發展并形成的新的分支,并且迅速成為發展航空航天各類飛行器的重要基礎科學和關鍵技術,推動整個人類航空航天事業的發展,成為航空航天事業發展的基礎。如今,空氣動力學已經不再僅只是應用于航空航天領域,還被應用于環境保護、公路交通、鐵路交通、冶金、建筑、體育等眾多領域,對整個人類社會的發展與進步都有著極為深遠的影響。
　　1.2 空氣動力學研究現狀
　　在20世紀90年代,隨著航空工業的迅速發展,使得航空工業整體技術程度相對于其它行業都成熟許多,基于此種原因,在較長一段時間里學界多認為航空工業已經走向成熟,尤其是空氣動力技術基礎技術方面,因此航空工業的研究將更多的集中于成本費用的降低,而減少了對應用技術的研究重視程度,使得空氣動力學的研究相對緩慢。進入21世紀以后,隨著計算機技術、通信技術、飛機設計技術等的發展,人們重新重視起了空氣力學的研究,使得空氣動力學得到了較好的發展。如以Euler及Navier.Stokes方程為主要數學模型的整機及部件繞流流場和氣動特性計算研究領域,在我國即得到了極大的發展,并被應用于很多重點型號的研制中;再如飛機多外掛氣動干擾特性研究、現代殲擊機大攻角過失速氣動持性研究等,都取得了極大的進展,在計算空氣動力學領域也取得了突出的成績,很多研究成果處于先進水平。
　　2 空氣動力學研究所面臨的挑戰
　　傳統的認為空氣動力學已經足以滿足航空航天需求的認識很明顯是錯誤的,隨著飛機一體化設計技術、微型飛行器、行星探測飛行器的發展,必然向空氣動力學的研究提出新的挑戰。
　　3 先進飛機器研制需求所帶來的挑戰
　　隨著航空交通事業的不斷發展,以及出于安全等方面的需要,對先進飛行器的研制需求不斷提高。如高機動性作戰飛機、可重復使用高超音速飛行器、大型民航機、大型運輸機、地效飛行器、微型飛行器、智能飛行器、無人偵察機、應用衛星、概念武器等,都對空氣動力學的研究提出了更多的挑戰性課題,需要空氣動力學從復雜流場預測、噴流干擾、氣動隱身、微流體力學、氣動防熱、高超音速邊界湍流、低雷諾數流動力學、地面效應等多個方面進行更深入的研究,而所有這些研究,都涉及高度非定常、線性,包括復雜的物理化學變化效應的影響,難度極大。
　　例如,大容量運輸機的研發,首先需要解決大容量運輸機高燃油效率、低噪聲、常規跑道起飛著陸能力的需要。在這里,雖然高燃油效率可以通過混合層流控制技術(HLFC)、發展新型發動機、采用高效的氣動設計方面來進行滿足,但這些技術要應用到大型飛機、高Re數情況卻還存在很多缺陷和不足。再如低噪聲的研究也是大型飛機所必須關注的問題,必須充分將聲學研究向氣動研究結合在一起進行。同時,還必須考慮增升阻力、尾渦效應、發動機噴流和外流干擾效應等。
　　3.1 自適應流動控制需要所帶來的挑戰
　　傳統空氣動力學對繞復雜物體的流動,多集采用渦發生器、吸氣、吹氣、肋條等技術進行模擬研究,但這種研究主要集中于流動的被動控制,隨著近年來電子技術、軟感技術、材料技術等的發展,傳統的集中于被動控制的研究存在許多不足,必須對宏觀流動和微觀流動的主運控制進行更深入的研究,這對飛行器的未來發展有著極為重要的意義。只有提高自適應流動控制研究水平,才能提高自適應流動控制技術,為飛機結構設計提供更為全面的飛行控制函數,以有效減輕飛機重量和飛行能力。
　　自適應流動控制的研究主要包括減阻流動控制、邊界層分離流動控制、高升力流動控制三個方面。具有感知能力的自適應流控制技術對于去不穩定性擾動源的影響極為重要,是未來飛行器發展所需要解決的一項關鍵性技術,對于簡化吸氣裝置和相關系統都有著極為重要的意義。邊界層流分離流動控制技術則駐地改善飛機氣動性能有著重要意義,需要進一步研究射流、湍流、目標流場、近壁面壓力分布等方面的關系。高升力流動控制技術對于飛行器增升裝置的研發有著重要意義,需要進一步研究如何在不降低飛機性能的情況下減少飛機重量提高飛機增升能力。
　　3.2 噪聲控制需要所帶來的挑戰
　　噪聲控制是飛機設計所需要考慮的一個重要內容,尤其是隨著航空對“安全性、經濟性、舒適性和環保性”的要求的不斷提高,飛機噪聲問題被各界所廣泛關注。根據航空運輸噪聲標準規定,飛機噪聲輻射在2017年要降低20EPNdB,而要在不影響氣動性能和推力的情況下降低噪聲,就必須在技術上進行巨大的革新,實際上現有相關技術都還極不成熟,要降低噪聲就必須進一步對聲學、氣動、推力系統、飛機結構之關的關系進行進一步的研究。

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