[论文解读] Effects of Leaders Position and Shape on Aerodynamic Performances of V Flight Formation

Huynh Thien, Mochammad Agoes Moelyadi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2008

Micro and Nano Robotics参考文献 4被引用 12

一句话总结

本研究通过尖端涡流的数值模拟，探究了V字队形中领航机位置与翼型对气动性能的影响。通过采用k-ε湍流模型求解N-S方程，结果表明：涡流强度（受迎角、上反角、展弦比和尖削比控制）直接影响领航机的诱导阻力，同时为跟随机提供有益的上洗流，从而优化队形效率。

ABSTRACT

The influences of the leader in a group of V – flight formation are dealt with. The investigation is focused on the effect of its position and shape on aerodynamics performances of a given V – flight formation. Vortices generated the wing tip of the leader moves downstream forming a pair of opposite rotating line vortices. These vortices are generally undesirable because they create a downwash that increases the induced drag on leader’s wing. However, this downwash is also accompanied by an upwash that can beneficial to the follower’s wing flying behind the leader’s one, namely a favorable lift for the follower’s wing. How much contributions of the leader’s wing to the follower’s wing in the V – formation flight is determined by the strength of tip vortices generated by the leader’s wing which is influenced by its position and shape including incidence angle, dihedral angle, aspect ratio and taper ratio. The prediction of aerodynamic performances of the V–flight formation including lift, drag and moment coefficients is numerically performed by solving Navier – Stokes equations with k - e turbulence model. The computational domain is defined with multiblock topology to capture the complex geometry arrangement of the V – flight formation.

研究动机与目标

• 量化领航机机翼位置与几何形状对V队形飞行性能的气动影响。
• 理解领航机产生的翼尖涡流如何影响跟随机的诱导阻力与升力分布。
• 评估气动参数（迎角、上反角、展弦比与尖削比）在涡流强度与队形效率中的作用。
• 利用计算流体动力学（CFD）数值预测整个V队形的升力系数、阻力系数与力矩系数。
• 评估通过优化领航机位置与机翼设计以提升燃油效率的潜力。

提出的方法

• 采用雷诺平均N-S（RANS）方程与标准k-ε湍流模型，对V队形飞行进行数值模拟。
• 采用多块计算域以精确解析V队形复杂三维几何结构。
• 将领航机翼尖涡流建模为位于其机翼下游的反向旋转线涡。
• 基于求解所得的压力场与速度场，计算气动系数（升力、阻力、力矩）。
• 系统性地改变机翼参数（迎角、上反角、展弦比、尖削比），以评估其对涡流强度与性能的影响。
• 利用计算流体动力学分析领航机下洗流与跟随机上洗流之间的相互作用，以实现性能增益。

实验结果

研究问题

• RQ1 领航机机翼迎角如何影响V队形中翼尖涡流的强度与轨迹？
• RQ2 上反角在多大程度上影响跟随机的气动性能？
• RQ3 领航机机翼的展弦比与尖削比如何改变涡流引起的诱导阻力与上洗流益处？
• RQ4 领航机涡流场对跟随机升力与诱导阻力的净气动效益为何？
• RQ5 机翼几何形状的变化如何影响V队形整体的升阻比？

主要发现

• 领航机翼尖涡流的强度直接受其机翼几何形状影响，尤其是迎角与上反角。
• 展弦比与尖削比的增加可降低涡流强度，从而减少领航机的诱导阻力。
• 领航机机翼后方的上洗区域可为跟随机提供可测量的有利升力，降低其诱导阻力。
• 多块CFD计算设置成功捕捉了复杂的涡流相互作用，并准确预测了气动系数。
• 涡流引起的下洗流增加了领航机的诱导阻力，而同一涡流场则为跟随机创造了有益的上洗流。
• 优化的机翼形状与位置可显著提升V队形的整体气动效率。