摘要
以美国“全球鹰”（RQ-4）无人机为代表的传统高空长航时飞行器多采用常规布局大展弦比机翼。随着人类对临近空间的开发利用，常规布局超大展弦比机翼设计制造时对机翼强度刚度乃至材料性能要求严苛，机翼整体结构寿命偏低等不足愈发凸显。自上个世纪70年代起，研究人员逐渐开展了同样可以满足航时、航程等指标需求的联结翼高空长航时飞行器的基础研究工作。相较于传统布局飞行器，联结翼布局结构重量轻、刚度大更易实现超大展弦比机翼设计;此外，合理布局的联结翼飞行时产生的气动诱导阻力低、升力系数提升，使得巡航升阻比显著增加有效提高了飞行器航程。超高空长航时飞行器巡航时（距海平面高度20～35km），飞行环境中大气密度较低，中低速飞行时多处于低雷诺数（104～105）流动区间;此时随攻角变化引起的飞行器翼面流场结构剧烈演化会显著改变飞行器气动特性，严重时会影响飞行安全。针对这一问题，本文采用数值分析方法开展研究，旨在通过分析联结机翼低雷诺数条件下气动特性以及表面典型流动特征，为后续联结翼布局高空长航时无人机设计提供经验设计指导。 论文的研究工作主要包括以下几个方面: 首先，本文进行求解器精度验证与数值方法探究，开展适用于低雷诺数流动的数值方法准则的选取研究工作。面对低雷诺数流动数值求解不确定性强的问题，采用基于Navier-Stokes方程推导发展而来的雷诺平均（RANS）方法对低雷诺数流动问题开展数值求解。通过选取多组标准实验算例验证求解器的可靠性，综合探究网格参数、数值格式、湍流模型因素对低雷诺数复杂流动问题基本流动特征精确求解的能力。通过系统性的研究工作，本文总结出了一套充分考虑计算网格、数值格式、湍流模型影响，适用于数值求解低雷诺数流动问题的高精度方法准则。研究表明，重构格式与湍流转捩模型的选择对数值计算预测结果影响显著;本文通过选取高阶重构格式（五阶）结合Roe通量格式搭配SST-γ-Reθt湍流转捩模型可以将计算标模升力系数误差控制在5％以内。 然后，本文开展低雷诺数下翼型攻角非线性效应研究。进一步研究前后翼相对位置对联结翼气动特性产生的影响，通过采用计算标模验证数值方法准则对翼型低雷诺数典型攻角非线性效应气动特性预测能力的可靠性，并对低雷诺数小攻角非线性效应产生的机理进行深入剖析，在明确其产生机理同时引入相关研究概念用以指导后文工作。紧接着本文对前后翼剖面开展飞行工况下的气动特性研究工作，明确其未出现大攻角非线性效应。随后，重点对前后翼截面相对位置开展气动特性评估，结合流场研究低雷诺数条件下不同截面位置布置的构型气动特性变化与相关流动耦合作用机制。研究发现，翼间高度取0.8倍翼型弦长，翼间水平距离取0.5倍弦长时，二维联结翼取得相对最优的气动性能，且未出现非线性。 最后，本文基于二维前后翼相对位置探究结果生成三维初始联结翼，以此为基础开展联结翼布局形式的气动特性研究。采用系统分解思想将联结翼划分为前翼，后翼，联结段三部分。研究第一步，在保持机翼部分参数不变条件下对不同联结段构型开展气动特性评估，随后通过选型择优探究过渡式联结段位置产生的气动干扰对联结翼气动性能的影响。第二步，选取位置布局合理的过渡式联结段，生成前后翼布局形式不同的联结翼构型，结合数值流场分析其气动性能并简要探究其在不同动力参数下的航程特性。第三步，针对后掠前翼与前掠后翼的联结翼构型开展深入的非定常流场分析工作，对α=14°攻角下的联结翼表面典型三维流动特征进行刻画。 上述研究工作表明，低雷诺数条件下联结翼几何参数变化会导致机翼气动特性出现攻角非线性效应，通过合理的机翼几何参数布局利用前后翼气流的耦合效应改变流场中流动三维结构，可以实现联结翼攻角非线性效应的抑制与气动性能的相对改善。此外，低雷诺数条件下联结翼表面存在着分离涡诱导的强三维横流作用，联结段内侧部分区域横流不仅随攻角增加不断演化加剧翼间干扰，而且其衍生的流动结构更迭还导致联结翼受到的侧向力出现非线性波动。本文联结翼在中大攻角区间前翼产生的侧向力分量占据绝对主导。
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