新构型民机之间的尾涡干扰机理及规律研究

Wake vortex interference is one of the frontier issues of the air transport industry. This manuscript proposes the study of wake vortex interference among the next generation commercial aircrafts by a modified aerodynamic model and numerical simulation. Several unconventional configurations are considered such as blended wing body, twin-fuselage, jointed wing and open rotor engine aircraft. The results are obtained by addressing the wake vortices distribution, downwash velocity, aerodynamic loading and induced drag estimation. New methods for induced drag reduction is discussed.

民用飞机之间的尾涡气动干扰是航空业界关注的前沿问题之一。本项目针对下一代新构型民机，开展尾涡干扰理论模型研究，并结合数值模拟方法，研究新构型民机之间的尾涡干扰规律。针对翼身融合布局、双机身布局、联接翼布局，以及装配开式转子发动机的飞机，研究尾涡干扰对下洗速度、气动载荷、诱导阻力的影响规律。应用以上研究结果，探索应用尾涡干扰来降低飞机诱导阻力的新方法。

为了解决近年来愈发严重的机场拥堵与航班延误问题，飞机之间的尾涡干扰机理及规律逐渐成为研究的热点。目前民机尾涡干扰研究大多针对现役常规构型展开，着重于尾涡干扰的危害及规避方式，并初步开展了利用尾涡干扰实现减阻的探索性研究。但是，在新构型民机的尾涡干扰规律，以及新构型民机应用尾涡干扰来降低诱导阻力方面，尚未开展系统深入的研究。根据目前国内外对非常规构型民用飞机的研究情况，未来的航空运输将很有可能采用如翼身融合布局等新构型飞机，采用两架编队飞行的形式，利用尾涡干扰来降低巡航油耗。.基于以上考虑，本项目开展了尾涡干扰理论模型研究，并结合数值模拟方法，研究新构型民机之间的尾涡干扰规律。针对非常规布局及开式转子发动机，研究了尾涡干扰对下洗速度、气动载荷、诱导阻力的影响规律。应用以上研究结果，探索应用尾涡干扰来降低飞机诱导阻力的新方法。除了项目要求的研究内容之外，还开发了一套“基于航线网络的飞机性能分析系统”。在开展下一代飞机概念方案论证过程中，可辅助设计人员获得更加清晰的细分市场定位、以及方案顶层指标体系。.根据研究结果，尾涡干扰对翼身融合布局的减阻效果比常规布局约低 1%。在理想的情况下，当两飞机的流向距离足够大时，诱导阻力降低程度约为 12%；当两飞机的展向距离近似等于 1~2 倍半展长时，诱导阻力可被大大的降低，其降幅甚至能达到 50%以上。若飞机还装配有开式转子发动机，则其尾流中可能包含的涡量还将进一步改变尾涡减阻效果。基于粗略的估计，减阻效果可能发生3%的变化。视发动机转子旋转方向而决定阻力增加或减少。在实际运营过程中，由于飞行剖面、姿态控制等多方因素，尾涡干扰的理想情况很难在整个飞行过程中保持。根据粗略的估计，尾涡干扰的综合减阻效果为 4%左右。