论文摘要：高空无人机气动优化设计

随着国防建设的发展，世界各军事强国均对临近空间飞行平台做出战略规划。临近空间是指垂直高度上距离海平面20~100千米的空域，论文的研究重点是在这一空域低速飞行无人机的气动设计及优化，高空无人机续航性能好，具备持久的情报搜集和战场监视能力，可用作无人作战平台。

高空无人机飞行动压小，一般处于低雷诺数飞行环境中，其气动性能因受到低雷诺数的影响而下降，因此有必要针对如何提高高空无人机在低雷诺数条件下的气动性能展开研究。论文通过对高空无人机翼型、机翼、全机的设计优化，提高了气动性能，主要研究内容如下：

1）总结了高空无人机的研究现状、发展趋势及关键技术，通过大量阅读国内外文献，归纳低雷诺数流动机理，研究应用于低雷诺数计算的网格划分方式以及数值计算方法。

2）在数值计算的基础上对翼型进行了水洞实验，通过在三种雷诺数下对翼型绕流的实验观察，观测到了低雷诺数层流分离泡，记录了流动从层流流动状态、分离、转捩、重附，直到湍流流动状态的整个过程，直观理解了低雷诺数流动机理。

3）在比较各翼型设计方法之后，对DISC翼型反设计方法进行改进，使其适用于存在气流分离的设计，并编写MATLAB程序，反设计得到相对厚度为13.4%翼型I。

4）采用NURBS曲线对翼型I进行参数化，使用ISIGHT软件将参数建模、网格划分、流场分析等流程集成自动优化框架，在翼型I的基础上优化得到厚度为15.2%的优化设计翼型Ⅱ，该翼型在雷诺数1×105下的最大升阻比达到110，满足设计指标。

5）采用翼型Ⅱ构成高空无人机大展弦比直机翼，采用试验设计的方法选择试验点，使用支持向量机拟合得到高精度回归曲线，以此作为代理模型寻优，得到较优的机翼平面形状，机翼升阻比提高了1.25。最后，对机身、翼身结合处等进行优化，进一步减小阻力，最终优化得到的无人机最大升阻比达到34.46，较优化之前有较大提高。

结果表明，在低雷诺数下，来流流经翼型表面会产生层流分离泡，导致翼型气动性能下降，合理的数值计算可以得到翼型低雷诺数气动性能，水洞实验能够直观观察到翼型低雷诺数绕流现象。翼型设计是提高无人机气动性能的主要方式，改进的DISC反设计方法能够用于低雷诺数翼型的反设计，机翼平面形状的优化进一步减小了诱导阻力，采用试验设计以及支持向量机回归得到代理模型的方法能够极大提高优化效率。

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