扇翼飞行器是一种新概念新原理飞行器,尤其是它具有独特空气动力学原理的机翼——扇翼。对扇翼气动力的分析,涉及到气流旋转、切割、分离、畸变等多种非定常、非线性空气动力学基础理论问题,现有飞行器空气动力学的动量(滑流)理论、叶素(片条)理论、涡流理论都不能对其作出较好的描述和预测。此外,影响扇翼分布式推力、涡升力的因素很多,包括风扇的几何参数、风扇的转速、风扇与机翼翼面的相对位置、机翼的参数和形状、来流的大小和方向等,给分析扇翼推力、升力的规律及其控制技术造成很大困难。本文将对扇翼的空气动力学原理、升推力产生的机理、以及升推力的控制技术等关键问题,以理论研究为基础、数值模拟为主要方法、试验验证为手段的研究方案,结合我国扇翼飞行器演示验证课题为背景,分析并验证相关气动力优化方案,为扇翼飞行器早日投入实用阶段奠定基础。具体研究内容为:(1)扇翼气动特性数值模拟研究:建立适合扇翼原理研究的数学模型(控制方程)、网格划分方法、边界条件和初始条件、迭代方法等,进行扇翼涡升力、分布式推力以及流场的数值计算。此外,通过分析前缘小翼和后缘襟翼对扇翼气动力的控制特性,找出适合于扇翼飞行器姿态控制的方法。(2)扇翼气动特性试验研究:研制适合扇翼原理研究的试验模型和装置,采用适当的测量技术和方法,进行扇翼风洞吹风试验,测量其升力、推力、功率及流场等,分析横流风扇转速、来流速度、迎角对扇翼气动力的影响,验证本文建立的CFD方法的准确性。(3)扇翼气动特性机理研究:通过对扇翼内部偏心涡形成的模拟,分析了扇翼内部偏心涡形成的过程和原因,同时也分析了偏心涡对扇翼气动特性的影响。此外,通过对扇翼周围流场及流场速度的试验与数值分析,揭示扇翼涡升力、分布式推力形成的机理和探讨了观察涡形成的试验方法。(4)扇翼气动特性改善研究:为了进一步改善扇翼的气动特性,在不改变扇翼基本几何参数的前提下,通过数值模拟和试验的方法对扇翼翼型进行了附面层流动控制研究。此外还研究了纵列双扇翼布局对整机气动特性的优化效果,分别分析了扇翼间距、高度、前后安装角参数的影响,并进行了纵列双扇翼布局的风洞吹风试验验证。通过以上研究,获得了一套适合于分析扇翼空气动力学原理的数值模拟计算方法,建立了一种分析扇翼气动力的理论分析方法,揭示了扇翼涡升力、分布式推力形成的机理,提出了涡形成的可视化研究方法,创建了扇翼飞行器升推力的控制方法以及给出了扇翼在实际应用时的增升减阻和布局方法。