基于非定常渦格法的撲翼飛行器氣動(dòng)特性優(yōu)化

賀紅林，周 翔，朱保利，余春錦

（南昌航空大學(xué) 航空制造工程學(xué)院，江西 南昌330063）

0 引 言

撲翼飛行器（FMAV）集舉升、懸停、推進(jìn)功能于其機(jī)翼，具有尺寸小、質(zhì)量輕、機(jī)動(dòng)性好、效率高等特點(diǎn)，在軍事與民用上具有廣泛的應(yīng)用前景。因其在氣動(dòng)與穩(wěn)定性等方面存在明顯優(yōu)勢(shì)，F(xiàn)MAV已成為微型飛行器的研究熱點(diǎn)。近些年，適于高性能FMAV研制的需要，對(duì)其氣動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了不少研究，如Smith［1］和 Vest［2］采用面元法研究了飛鳥(niǎo)氣動(dòng)特性；Sun［3］通過(guò)對(duì)N－S方程的數(shù)值求解并基于渦動(dòng)力學(xué)理論闡釋了撲翼的非定常氣動(dòng)特性；Joseph［4］采用非定常渦格法（UVLM）模擬柔性撲翼流場(chǎng)；Lin用MOC法求解Euler／Navier－Stokes方程以模擬撲翼運(yùn)動(dòng)［5］。在這些方法中，面元法簡(jiǎn)單但計(jì)算結(jié)果較粗糙；CFD法的結(jié)果較準(zhǔn)確，但計(jì)算開(kāi)銷巨大，只適于剛性撲翼［6］；UVLM快速高效且可對(duì)流－構(gòu)耦合態(tài)的柔性撲翼上的渦分布、尾渦變化等多種因素進(jìn)行建模計(jì)算，并能獲得較準(zhǔn)確氣動(dòng)結(jié)果［7］。總的來(lái)看，已有的研究主要集中于撲翼流場(chǎng)的模擬，對(duì)于撲翼的選型和設(shè)計(jì)支持不夠。事實(shí)上，實(shí)用中更關(guān)注的是撲翼結(jié)構(gòu)及其撲動(dòng)參數(shù)確定問(wèn)題。據(jù)此，旨在為撲翼選型與設(shè)計(jì)提供一定依據(jù)，本文探索FMAV的氣動(dòng)優(yōu)化，并將在對(duì)FMAV進(jìn)行氣動(dòng)分析及其UVLM建模的基礎(chǔ)上，引入GPU（Graphic Processing Unit）技術(shù)實(shí)現(xiàn)該算法，以滿足 優(yōu)化迭代中海量計(jì)算的需要，同時(shí)，考慮到UVLM模型不能提供導(dǎo)數(shù)信息，還將引入模式搜索（PS）法作為FMAV的尋優(yōu)工具。

1 非定常渦格法建模

1.1 翼面速度表示

為了表征撲翼的運(yùn)動(dòng)，在其上定義慣性坐標(biāo)系O（X，Y，Z）和機(jī)翼坐標(biāo)系o（x，y，z），前者固定不動(dòng)，后者隨機(jī)翼運(yùn)動(dòng)，并設(shè)兩者在初始時(shí)刻位置重合。……