临近空间极低雷诺数翼型与桨叶的非定常气动设计问题

The unsteady and nonlinear aerodynamic characteristics is remarkable behavior for the ultra low Reynolds Number airfoil shapes,the ducted shapes and the special propeller configurations.The deeply unsteady behavior has the important influence on the aerodynamic efficiency and reliability of the power propulsion system,the adaptive attitude controlling system and the axial-flow cooling fan system in the ultra high altitude environment.Thus,an efficient unsteady aerodynamic method must be developed succesfully to reduce evidently the seriously nonlinear characteristic for the near space vehicles in the above 30 kilometers high altitude atmosphere environment and the special micro vehicles..Based on the optimum principle of the adjoint theory,the given cost function , the aerodynamic and geometric conditions,the unsteady adjoint partial differential equations,the corresponding boundary conditions and the gradient analysis equations can be derived. The high accurate numerical method will be studied. An new unsteady aerodynamic design method applied to the two and three dimensional aerodynamic configurations with the several hundreds design variables will be built.On the basis of the above,the unsteady aerodynamic design procedure and the wind tunnel experiment will be done for the ultra low Reynolds number airfoils and duct shapes. Otherwise,the unsteady aerodynamic design of the proplet propeller configurations and the wind tunnel test will be done. The inherent principles of improving the aerodynamic efficiency and the design rules of main parameters will be proposed. An unsteady aerodynamic method can successfully applies to the aerodynamic design problem of the near space vehiceles and the other special cases.

极低雷诺数（数千～数万量级）翼型、导管或桨叶呈现高度的非定常/非线性气动特征，严重影响动力推进系统（螺旋桨、涵道螺旋桨等）、姿态调控装置(涵道风扇等)或高空冷却风机的气动效率与可靠性。为此，发展能够显著减弱强非线性特征的高效非定常气动设计方法是临近空间（30公里以上高度）或微型飞行器研究必须解决的基础难题，具有重要的理论意义及应用价值。本项目拟基于伴随理论的最优控制原理，根据目标函数、气动与几何约束条件，推导建立非定常伴随偏微分方程组、边界条件及敏感性分析方程，研究高阶、低耗散性的高精度数值求解方法，构建数十～数百个设计变量的二维、三维气动外形高效非定常气动设计方法；以此为基础，开展极低雷诺数翼型、导管等非定常气动设计与风洞试验验证，以及临近空间桨梢小翼螺旋桨高效布局的精细气动设计及风洞试验研究，揭示内在增效机理及设计准则，为临近空间与微型飞行器提供新的先进技术支持。

极低雷诺数环境下（数千～数万量级）翼型、导管或桨叶呈现高度的非定常/非线性气动特征，严重影响临近空间飞行器动力推进系统（螺旋桨、涵道螺旋桨等）、姿态调控装置(涵道风扇等)或高空冷却风机的气动效率与可靠性，如何有效提高气动效率、减弱强非定常特征是临近空间（30km以上高度）低动态飞行器或低空微型飞行器急需解决的基础问题，建立高效的非定常气动设计及高效能比的新型流动控制方法是解决该难题的可行技术途径，具有重要的学术意义及重要应用前景。.本项目深入开展了极低雷诺数翼型非定常气动分析方法、基于γ-Reθ转捩模型和RANS/LES混合方法等的三维桨叶低雷诺数流非定常计算方法研究；建立了基于伴随方法的适应数十～数百个设计变量情形的翼型及桨叶外形非定常气动设计方法，能够获取目标函数与设计变量的精确梯度信息；在此基础上，进一步发展了基于梯度信息增强的分级Kriging模型的极低雷诺数翼型及桨叶高效优化方法，有效提高了优化效率和鲁棒性；开展了极低雷诺数翼型、特种勺型翼型非定常精细气动设计及风洞试验验证、临近空间桨梢小翼螺旋桨高效布局精细气动设计及风洞试验研究，阐释了关键参数的影响规律、增效机理及设计准则；此外，进一步深入开展了基于协同射流流动控制的低雷诺数翼型及临近空间大桨径螺旋桨桨叶高增效设计方法研究，研究了马赫数、雷诺数及喷口动量系数、喷口及吸气口几何参数的流动控制效应、增效机理与影响规律，进行了典型算例验证，相关研究结果表明：，可显著提高低雷诺数翼型升阻比30%以上，提高高空桨推进效率5%-8%以上。上述相关研究成果为临近空间低速飞行器与微型飞行器高效动力系统研制提供了新的技术支持。本项目发表相关期刊及学术会议论文22篇，授权发明专利6项（其中5个专利发明人排名第1、1个专利发明人排名第2），部分成果应用于3家单位科研任务。