一种高效的组合动导数分量数值模拟算法

基于传统网格速度法,发展了在流场网格不变的情况下,数值模拟沉浮运动、纯俯仰运动和俯仰振荡运动的算法,提出了一套直接求解旋转阻尼导数和洗流时差导数的方法,该方法不需要实时更新网格,减少了计算时间和所需内存,避免了负体积的出现。首先通过NACA 0006的阵风响应和NACA 0012翼型的强迫俯仰振荡,验证了程序和方法的正确性;然后数值模拟了BFM(basic finner missile)标准模型的沉浮运动、纯俯仰运动和俯仰振荡运动,并计算了其旋转阻尼导数、洗流时差导数和组合动导数,所得结果与动网格方法和风洞试验值吻合,最大误差不超过4%,进一步验证了该方法的正确性。     

基于CFD数值仿真技术的飞行器动导数计算

为了研究表征飞行器动态稳定特性的动导数,结合计算流体力学方法,基于滑移网格技术,采用小幅度强迫振动法和差分法两种非定常方法,推导了俯仰组合动导数以及滚转阻尼导数的计算表达式,并结合多参考系模型采用准定常方法计算滚转阻尼导数。建立了基于计算流体力学技术的飞行器动导数计算方法。对国际动导数标模Finner导弹进行了计算验证。两种非定常方法对俯仰组合动导数的计算误差分别为0.65%、6.13%,对滚转阻尼导数的计算误差分别为2.5%、0.06%。求解滚转阻尼的准定常方法对于滚转阻尼导数的计算误差为2.67%。三种方法的计算结果与风洞试验结果吻合的很好。非定常方法计算精度高,准定常方法可以快捷迅速得到结果。本文的数值方法不仅适用于超声速,同样可以用于亚、跨声速时的动导数计算。     

基于阶跃响应的飞行器单独静、动导数数值求解方法

基于阶跃响应方法,结合刚性动网格技术,对飞行器的单独静、动导数的精细化数值计算进行了研究.以纵向为例,通过给物面施加恒定附加攻角,求解得到阶跃响应运动过程的非定常气动力,求导得到静导数.同样给物面施加恒定的俯仰角速度,并同时强迫物面平动以抵消俯仰转动产生的附加攻角影响,可由非定常气动力求导得到动导数值.分别利用NACA0012翼型和三维SACCON飞翼无人机进行了计算验证,各攻角下的静、动导数值与文献、试验结果吻合得很好,最大误差不超过5%.结论表明:基于阶跃响应的单独静、动导数直接模拟方法计算耗时仅为传统强迫振动方法的21%,效率相对较高,且可推广到横航向的动导数计算,为飞行器的稳定性研究提供参考.      

F12全机动态特性数值模拟

采用非定常正弦振荡和准定常旋转坐标系两种数值模拟方法,对F12全机模型三个攻角进行动态特性数值模拟,得到飞行器的纵向组合动导数和阻尼动导数,计算结果与试验数据对比具有良好的一致性,同时用无粘和粘性两种计算方程进行准定常旋转坐标系模拟,计算结果一致,表明两种数值模拟方法准确性高,计算速度快,可为设计提供快速可信的数据支持。     

动导数平移实验设备的研制

本文介绍了一种测量洗流时差异数ｍｚ＾－α的实验设备。该设备由步进电机驱动，通过机械传动实现模型的强迫平移振动。实验结果表明：该设备能够理想地实现模型的平移运动。利用此设备，我们在ＦＬ－１风洞中成功的提取了ＳＤＭ标模的洗流时差异数ｍｚ＾－α，达到了分离洗流时差异数ｍｚ＾－α与纵向阻尼导数ｍｚ＾－ωｚ的目的。此设备的开发也为测量其他平移加速度导数（如β）提供了实验设备，积累了实践经验，为动导数的实验研     

某型导弹动导数风洞试验和数值模拟

动导数的精确预测对于弹箭类武器的成功研制至关重要。以某型导弹动态特性的研究为对象,在FD06风洞中采用自由振动法完成动态特性试验,获取该型导弹俯仰和滚转两个方向的典型振幅衰减曲线和动导数结果;针对该型导弹,基于双时间推进法数值求解非定常N-S方程和强迫运动方程,获取该型导弹俯仰动导数和滚转动导数。结果表明:CFD计算结果与风洞试验结果有较好的一致性;在给定马赫数和攻角下CFD数值模拟结果可以为后续工程型号研制提供参考。     

洗流时差阻尼力矩研究

在分析飞机的纵向阻尼力矩时，除考虑俯仰角速度引起的俯仰阻尼力矩外，还应估算出迎角变化率引起的洗流时差阻尼力矩。根据洗流时差阻尼力矩产生的原理，推导并给出了它的计算方法。介绍了各种阻尼导数的表示方法及相互关系。最后较详细地分析了水平尾翼、马赫数、迎角变化率和下洗角随迎角的变化率诸因素对洗流时差阻尼力矩及阻尼导数的影响。     

某改型飞机时差动导数对尾旋时间历程估算的影响

提供了利用欧拉方法计算的某改型飞机尾旋时间历程结果，文中比较了使用和没使用洗流时差动导数数据对计算结果的影响，说明洗流时差动导数数据在这种模拟计算中是非常重要的，它使计算结果更合理。     

飞行器大迎角下俯仰静、动导数的数值计算

 采用一种适用于非定常流动计算的逐次超松弛（SOR）时间推进方法耦合求解非定常Navier-Stokes方程和强迫运动方程,数值模拟了NACA0012翼型、弹道外形(HBS)和有翼导弹等飞行器在不同初始迎角下做强迫俯仰振荡的黏性动态流场,给出动态气动力及力矩系数的时间历程;采用积分法获得飞行器的静导数和动导数,将计算结果与实验结果及半经验理论预测方法进行比较并分析飞行器在大迎角下动态特性的非线性特征;计算结果与实验值相吻合,表明本文采用的非定常数值模拟方法在大迎角下能够较准确地模拟飞行器的动态特性,具有工程应用价值。     

旋转流场下的振荡动导数试验技术研究

为研究飞机在旋转流场下的非定常气动特性,中国空气动力研究与发展中心低速所在Φ5m 立式风洞开展了旋转流场下的振荡动导数试验技术研究。本文推导了在旋转流场下识别组合动导数的方法,介绍了试验设备,获得了在旋转的同时,由振荡产生的3个组合动导数,并对试验结果进行了分析与讨论。将单自由度动导数结果与Φ3．2m 风洞试验结果进行了对比,旋转/振荡耦合试验结果表明：旋转运动使得俯仰组合动导数变得不稳定,而对于横向组合动导数,大转速则会显著增大非线性。该试验技术能够为研究旋转流场下的非定常气动特性提供一个有效的试验平台。     

考虑进排气的飞翼静、动态气动特性数值模拟

采用计算流体力学（CFD）数值模拟技术，以二维模型为例，建立了基于小幅度非定常运动的动导数计算方法，构建了考虑喷流引射效应的进排气模型、考虑管道效应的通气模型以及常规的保形模型，分别对其静态以及动态气动特性进行了数值模拟计算，并辨识了其纵向俯仰力矩系数组合动导数。研究表明:非定常动导数辨识方法较为准确可靠，相比保形模型，进排气以及通气模型的静态失速攻角（AOAs）增大，升力系数、阻力系数及俯仰力矩系数也增大，但力矩系数斜率基本不变，说明静态稳定性差异不大。而相同攻角下，进排气影响下的俯仰力矩系数组合动导数绝对值最大，表明了进排气模型具有最大的动态阻尼，而通气模型次之，保形模型的动导数绝对值最小。      

吸气式高超声速飞行器俯仰/滚转耦合运动特性

针对一种类似SR-72构型的吸气式高超声速飞机开展了进气道通流状态下俯仰/滚转耦合运动相关研究。通过数值模拟获得了滚转单自由度静稳定性、动稳定性以及强迫俯仰/自由滚转运动下的两自由度耦合动稳定性，研究了飞行器转动惯量以及俯仰运动频率对耦合运动的影响，简要分析了耦合运动的机理。研究发现虽然此飞行器具有滚转静稳定性和动稳定性，但是在强迫俯仰/自由滚转运动过程中，滚转通道却出现了小幅度振荡与大振幅振荡交替出现的情况，最大滚转角超过70°。小幅度振荡出现在正弦俯仰振荡的上半周期，其振荡频率随轴向转动惯量增加而降低，幅值随俯仰振荡频率增加而增大；大振幅振荡出现在下半周期，其幅值基本不变，而振荡频率与俯仰振荡一致。这种现象基本不受惯性耦合作用影响，可以认为是由气动力主导的。     

动导数数值预测中的相关问题

动导数是飞行器动态稳定性分析、弹道设计和控制系统设计的重要参数,其预测方法主要有工程近似方法、数值模拟和风洞试验。基于动导数、交叉导数的概念,介绍了强迫振荡法、自由振荡法等预测动导数的数值模拟方法,重点就超声速、高超声速动导数数值预测中存在的问题开展讨论,包括时间步长、子迭代步数的选取;振荡频率对辨识结果的影响;强迫振荡法和自由振荡法辨识动导数可能存在差异的原因分析;交叉导数和交叉耦合导数的辨识问题以及飞行器构型对动导数预测的影响等。并结合算例进行了具体分析,在总结现有研究经验的同时,针对当前研究中存在的困惑和难题,提出了相应的改进建议。     

Supersonic flow over a pitching delta wing using surface pressure measurements and numerical simulations

Experimental and numerical methods were applied to investigating high subsonic and supersonic flows over a 60° swept delta wing in fixed state and pitching oscillation.Static pressure coefficient distributions over the wing leeward surface and the hysteresis loops of pressure coefficient versus angle of attack at the sensor locations were obtained by wind tunnel tests.Similar results were obtained by numerical simulations which agreed well with the experiments.Flow structure around the wing was also demonstrated by the numerical simulation.Effects of Mach number and angle of attack on pressure distribution curves in static tests were investigated.Effects of various oscillation parameters including Mach number, mean angle of attack, pitching amplitude and frequency on hysteresis loops were investigated in dynamic tests and the associated physical mechanisms were discussed.Vortex breakdown phenomenon over the wing was identified at high angles of attack using the pressure coefficient curves and hysteresis loops, and its effects on the flow features were discussed.     

稳定性导数计算方法研究

稳定性导数的准确计算对于飞行器的操稳特性具有重要意义.应用计算流体力学(CFD)方法中的非结构化动网格技术建立能够模拟飞行器做周期性俯仰运动的强迫振荡法,以国际动导数标模Finner导弹为验证算例,获得不同马赫数下俯仰力矩系数的迟滞环曲线,进而计算Finner导弹在不同马赫数下的静稳定性导数和动稳定性导数.结果表明:本文计算得到的俯仰静稳定性导数与试验数据非常接近;在亚音速和超音速范围内,动稳定性导数计算结果与试验值很接近,但在跨音速范围内,本文计算结果与试验曲线的规律性一致,但误差较大.     

基于CFD的带控制舵导弹的动导数计算

介绍了基于计算流体动力学(CFD)的阻尼导数预测方法以及其在复杂带控制舵导弹外形的俯仰/滚转阻尼导数预测中的应用.方法采用求解三维非定常ALE(arbitrary Lagrangian-Eulerian)形式RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)方程加湍流模型的方法得到模型强迫运动的气动力时间历程,再通过绕模型非定常运动过程得到的气动力迟滞曲线计算得到俯仰及滚转阻尼导数.为了验证采用数值方法的正确性,针对基本带翼导弹外形,采用强迫模型按正弦形式振动,计算得到了超声速范围内马赫数从1.5到2.5的俯仰及滚转稳定性参数,通过与风洞试验及弹道数据结果的比较发现,两者吻合较好.      

飞行器自激振荡的流动物理与动力学机制

全局亚迭代耦合求解流体动力学方程和刚体动力学方程,研究轴对称飞行器单自由度俯仰失稳运动的非定常特征.高超音速锥-柱-裙飞行器的单自由度俯仰失稳运动发展为极限环形式,周期性运动伴随着波系结构的非定常变化;自激振荡源于静稳定构型的振动回复机制和尾裙激波流动迟滞效应所构成的阻尼机制.基于第二拉格朗日方程和虚功原理,导出能够描述迟滞现象的参数化非线性动力学模型.多尺度近似分析获得参数化运动特征:自激振动过程是拟简谐运动;静稳定构型才能出现自激振荡周期运动;平衡点阻尼是决定运动稳定特性的分叉参数;振幅特性与阻尼非线性相关,频率特性与刚度非线性相关.基于数值结果的参数辨识,非线性模型的理论分析、重构都与数值结果高度一致,从而有效地佐证了自激振荡建模研究的合理性.