不确定性飞行环境中动态激波控制鼓包减阻机制研究

The shock waves appeared on the wings of civil transports flying at the high speeds are one of the main reasons causing their poor performance. In recent years, a kind of shock control device called Shock Control Bump has been proved to be able to dramatically reduce the wave drag under ideal conditions. To further improve its robustness, a new concept called Dynamic Shock Control Bump has been proposed to weaken the unsteady shock waves on the wings under uncertain flight conditions. By adopting the high-fidelity numerical simulation method based on solving the unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes equations and an efficient global numerical optimization algorithm based on the Kriging model, this research will focus on: 1) the flow pattern of the unsteady shock waves controlled by dynamic shock control bumps; 2) the stability of the unsteady shock waves under control; 3) the unsteady effects caused by the movements of dynamic shock control bumps. The goal of this project is to reveal the flow physics of the dynamic shock control bumps, which will finally inspire the development of the next generation intelligent wings.

大型客机高速飞行时机翼上出现的激波是阻碍其气动效率提高的主要因素之一。近年来所发展的二维/三维静态激波控制鼓包技术经证实可以有效削弱理想设计条件下机翼上激波的强度，从而降低飞行阻力，但在非理想设计条件下由于受控激波位置和强度的不确定性，减阻效果有限。为此，本项目针对真实飞行环境中存在的不确定性，提出将二维/三维静态激波控制鼓包的概念扩宽到四维动态激波控制鼓包，通过增加时间维度的变化，根据受控激波的变化形态调整鼓包的外形，从而有效的对较宽飞行范围内的动态激波进行控制，以进一步提升鼓包技术的鲁棒性和实用价值，为下一代智能机翼的研制提供理论依据。本研究将以基于求解非定常雷诺平均Navier-Stokes方程的数值模拟和高效的全局数值优化方法为手段，将针对不确性飞行环境中非定常激波在动态鼓包的激励作用下，激波的结构形态、控制之后波系结构的稳定性以及激波控制过程中的非定常效应这几个方面重点开展研究。

激波控制鼓包是未来很有应用前景的降低激波阻力的流动控制装置。本项目针对激波控制鼓包在来流发生变化的情况下对其减阻效果、动态变形方案和相应的流动机制开展了研究。首先根据自然层流机翼流动的特点，在流场求解程序上增加了基于eN方法的半经验层流转捩判据。然后发展了一种基于全局优化的参数研究方法用于研究激波控制鼓包这样存在强耦合的参数空间。接着研究了二维和三维激波控制鼓包主要设计参数的变化对激波控制的影响，揭示了激波控制鼓包降低激波阻力的内在物理机制，发现对于激波控制这样的局部流场，由于当地马赫数接近于1，同样存在着面积律。激波控制中面积律的存在正确地解释了三维激波控制鼓包和二维控制鼓包之间的关系，对工程设计有着重要的指导意义。最后研究了在马赫数等来流条件变化的情况下，激波控制鼓包最优外形的变化规律，发现激波控制鼓包入射角和最大截面面积是两个最为关键的设计参数，并且这两个参数与来流马赫数基本呈线性关系，这就为鼓包动态变形设计提供了重要的理论依据。