飞行器脉动压力的CAA方法研究

本文采用CAA(Computational Aero Acoustics,CAA)计算气动声学方法,对来流马赫数范围0.7至1.0的飞行器边界层及近场流动开展了数值模拟研究,并对飞行器头部表面压力脉动信号做出了频谱分析。本项研究发展了高精度的计算气动声学数值模拟技术,对于后续从计算气动声学角度开展脉动压力研究具有一定的指导意义。     

可重复使用飞行器脉动压力数值模拟研究

相对于传统火箭或导弹，可重复使用飞行器的脉动压力问题更为复杂、且相关研究较少。本文采用RANS/LES混合方法模拟了可重复使用飞行器在竖立状态、跨声速飞行、超声速飞行3类典型状态下的非定常流场，并提取了典型特征位置的脉动压力。计算结果显示，竖立状态下的脉动压力发生在背风区和分离点，声压级约115 dB，频率不超过1 Hz；跨声速飞行时的脉动压力发生在机翼和尾翼上的激波振荡区域，声压级高达140 dB，频率在10 Hz左右；超声速飞行时的脉动压力发生在飞行器机翼、副翼的下表面等迎风面上出现较强逆压梯度的区域，声压级也高达140 dB，频率约为22 Hz。此外，飞行器底部等容易发生分离的部位也是容易产生较强脉动压力的位置。     

北京强度环境研究所完成CZ-2F火箭POGO振动研究

在载人航天的运载火箭第五次飞行中,宇航员报告在一级火箭飞行末秒产生比较强烈的振动。北京强度环境研究所承担了该问题的研究工作。课题组根据飞行振动、输送管路脉动压力的遥测数据分析,认为这种振动的主要原因是产生了液体火箭的燃料输送系统和火箭结构系统动力学耦合的全箭POGO振动。为了证明POGO振动成因,进行了模拟介质和真实介质的输送管路脉动特性试验、全箭纵向模态试验,开展了管路特性计算分析和全箭POGO稳定性分析工作,证明了实际飞行时POG0振动的机理。     

对两种头部外形气动噪声的预测分析

飞行器在整个飞行中遇到的噪声环境基本有两种:发动机排气流的噪声和“气动噪声”。气动噪声是由于飞行器本身与周围空气介质相互作用形成,主要发生在跨音速飞行段及再入段。火箭飞行时,表面脉动压力主要由非定常流引起。脉动压力的大小与自由流动压成正比。由于飞行器表面流场的非均匀性,最大的气动噪声不一定发生在最大的自由流动压的情况下。从试验得知在分离流和激波振荡出现的区域,脉动压力值要比附体流至少大一个数量级,而此时自由流动压不一定最大。对于一个给定的飞行器外形,其马赫数和攻角确定流场特性,而自由流动压则确定脉动压力值。     

航天飞行器在ITAM的AT303高超声速风洞中的空气动力实验研究

俄罗斯科学院西伯利亚分院理论与应用力学研究所新研制的AT-303风洞于1999年开始投入使用.由于具有较高的驻点压力,AT-303能够模拟飞行器再入时的真实Reynolds数,其Mach数范围为8~20.在ITAM与ESTEC和EADS-ST协作的ISTC项目的框架下,在AT303风洞中对不同航天飞行器的空气动力特性进行了研究.通过对HB-2(AGARD)参考模型进行测力实验,并将实验结果与其它可用的实验和数值计算结果进行比较,AT-303风洞的流场品质和实验仪器的性能得到了检验.在与实际飞行条件相对应的Mach数和Reynolds数条件下对典型的高超声速航天飞行器进行了实验.测量了气动力和力矩,确定了这些飞行器的主要气动特性.给出了实验结果,对实验数据进行了分析并与理论结果进行了比较.从研究中得到了一些经验,并提出对下一步研究的建议.     

锥柱旋成体跨音速脉动压力风洞试验研究

为研究同时具有"锥—柱"和"柱—裙"拐角的飞行器跨音速脉动压力载荷特征与分布规律,在NF-6风洞中对具有该特点的某旋成体模型开展了试验研究,获得了脉动压力总声压级沿模型纵向的分布规律,及其随来流Ma数与攻角的变化规律。进而通过调整风洞试验段总压改变Re数,获得了脉动压力总声压级在不同Re下的变化规律。结果表明,当来流Ma数达到0.89时,由于激波振荡使旋成体膨胀拐角处出现较强的脉动压力,攻角的增加使脉动压力总声压级有所减小,而Re数的增加使得脉动压力总声压级有所增大,但这种趋势随着来流Ma数接近于1而逐渐减弱。对旋成体跨音速脉动压力载荷的试验研究,为飞行器载荷环境设计提供了依据。     

航天飞行器飞行模态辨识技术应用及展望

介绍了航天飞行器飞行模态辨识的应用案例和研究展望。首先,阐述了飞行模态辨识的意义和国内外研究现状,给出了美国Ares I-X火箭飞行模态辨识应用的案例,据此分析了该案例对后续研究的启示;最后详细阐述了飞行模态辨识应用的展望,将后续研究分为三个阶段,从现有算法研究及鲁棒增强,到针对飞行环境的飞行模态辨识算法的开发,再到飞行器弹性智能控制的应用。     

中国力学大会——2013 MS15“航天飞行器结构强度与动力学环境研究”专题研讨会征稿通知

中国力学大会——2013,将于2013年8月19~21日在西安举行。本次会议由中国力学学会、西安交通大学联合主办与承办。中国力学大会是我国力学界每两年一次的综合性学术盛会,是广大力学科技工作者学术交流的重要平台。大会批准由北京强度环境研究所可靠性与环境工程技术重点实验室组织"航天飞行器结构强度与动力学环境研究"专题研讨会(编号:MS15),本专题讨论交流航天飞行器强度、动力学环境在理论方法、数值计算、试验技术以及工程应用等方面的最新进展。     

复杂结构全频段声振综合响应分析

航天飞行器在飞行过程中受到严酷的声振综合力学环境,既有发动机的脉动推力,又有飞行过程中的气动力作用,可通过声振综合试验提高地面试验考核的真实性。而声振综合环境下的结构响应预示可为试验方案制定、条件制定以及结构设计等提供技术支撑。本文针对复杂卫星结构,开展了全频段声振综合响应预示技术应用研究,重点研究了随机振动施加方法、噪声载荷施加方法、结构建模方法等,在此基础上预示了卫星模型在声振综合环境下的结构响应,将仿真结果和声振综合试验结果对比发现,仿真结果和试验结果吻合,RMS值误差在3d B以内。     

中国力学大会——2019 MS022“航天飞行器结构强度与动力学环境研究”专题研讨会征稿通知

<正>中国力学大会-2019将于2019年8月25～28日在杭州举行。本次会议由中国力学学会、浙江大学联合主办与承办。中国力学大会是我国力学界每两年一次的综合性学术盛会,是广大力学科技工作者学术交流的重要平台。大会批准由北京强度环境研究所可靠性与环境工程技术重点实验室组织"航天飞行器结构强度与动力学环境研究"专题研讨会(编号:MS022),本专题讨论交流航天飞行器强度、动力学环境在理论方法、数值计算、试验技术以及工程应用等方面的最新进展。     

大型结构特征值问题的并行EBE－子空间迭代法

本文利用ＥＢＥ策略和预处理共轭梯度法（ＰＣＧ法），将广义特征值问题子空间迭代法中各步的计算都单元化，从而避免了总刚度和总质量矩阵的组集，大大节省了存储量。由此建立的ＥＢＥ－子空间迭代法尤其适宜于并行计算。在银河－２机上的数值算例结果表明，无论是串行，还是并行计算，该方法都能有效提高计算速度。如对模型问题，若网格取４８０，则在串行计算时，ＥＢＥ计算途径较传统的总体计算途径的速度提高倍数达３．２７，而在挂用４个处理机进行并行计算时的ＥＢＥ－子空间迭代法较串行的总体计算途径的速度提高倍数可达１１．４。总之，该方法为一种有效的大型结构动力分析问题的求解方法。     

CFD问题显式有限差分方法的并行化

基于ＭＩＭＤ并行计算机模型，本文讨论了ＣＦＤ问题应用显式有限差分方法的并行化问题。利用区域分解法将计算问题分解为多个子问题，每个子问题由不同的处理器分别处理。针对ＳＣＢ计算格式的特点，尽量降低各处理器间的数据通讯，提高了并行计算效率。最后给出二维Ｅｕｌｅｒ方程组计算实例，计算结果令人满意，且算法有较好的可扩放性。     

管内激波串振荡和壁面脉动压力特性

分析了管内激波串振荡引起的壁面压力脉动特性.采用直联风洞实验方式结合动态压力测量技术获得了矩形管道内不同激波串位置下的壁面压力分布数据,对所得压力脉动幅值、功率谱密度曲线等结果进行分析,探讨激波串流动非定常特点与引起压力脉动的机制.     

A FAST KALMAN FILTER FOR INTEGRATED GPS/INS BASED ON U-D FACTORIZATION

研究了基于Ｕ－Ｄ分解的快速Ｋａｌｍａｎ滤波算法，并将它应用到一个２１状态的ＧＰＳ／ＩＮＳ组合导航系统工程实现中。常规的Ｋａｌｍａｎ滤波器已广泛应用于ＧＰＳ／ＩＮＳ组合系统，但由于系统建模误差和计算舍入误差，Ｋａｌｍａｎ滤波器在工程应用中会出现发散现象。为了解决这个问题，本文推导了一个基于Ｕ－Ｄ的扩展Ｋａｌｍａｎ滤波器。此外，由于高阶组合系统计算量大，导致基于Ｕ－Ｄ分解的滤波器在实时应用中有困难，为此，本文提出了一种快速的滤波算法来节省计算时间。文中设计了一条近于实际的飞机航迹来仿真。结果表明，本文所提的滤波算法能有效地克服组合系统滤波器发散问题，并减少计算时间近６９％。     

一种新型直筒-锥段型钢结构冷却塔气动性能的LES数值分析

作为一种外形新颖的典型风敏感结构,直筒-锥段型钢结构冷却塔表面风荷载随机分布特性亟待研究。以国内拟建最高的某新型直筒-锥段型钢结构冷却塔(塔高189 m)为例,采用大涡模拟(Large eddy simulation,LES)方法对其进行风场数值模拟,获取了直筒和锥段两部分结构的外表面三维气动力时程。将平均和脉动风压系数分别与相关规范及国内外冷却塔实测及风洞试验结果进行对比,验证了数值模拟方法的有效性。进而提炼出此类直筒-锥段型钢结构冷却塔外表面平均、脉动和极值风荷载以及阻力系数等气动参数分布规律。最终给出了此类新型的直筒-锥段型钢结构冷却塔结构平均和极值风压估算公式及其分布曲线。     

紊流冲击射流数学研究中的壁面函数法(英文)

使用低雷诺数 k-ε模型、标准 k-ε模型和改进的 k-ε模型计算了半封闭圆形冲击射流的紊流流场 ,并将结果作了对比。其中 ,改进的 k-ε模型在其模化过程中重新考虑了 ε方程中的脉动压力扩散项。结果表明 :低雷诺数 k-ε模型、标准 k-ε模型的计算结果很差 ,而改进的 k-ε模型的结果却要好得多 ,特别是对紊动能的改进尤其明显。因此可以认为 :标准 k-ε模型的计算结果很差是由于它在模化中没有考虑脉动压力扩散项 ,而并不是文献中所认为的是由于在近壁区使用了壁面函数法。     

椭圆截面喷管排气辐射热流数值分析

本文对直升机红外抑制器椭圆截面喷管排气的辐射热流进行数值分析,并预估排气温度分布速度和燃气成分分布对辐射热流的影响。为了正确计算辐射热流,本文采用六热流辐射模型来考虑尾焰对周围环境传热的影响。紊流模型采用修正的双方程k—ε模型。由于喷管出口截面为椭圆形,因此排气为三元自由射流,控制方程为抛物型偏微分方程,可采用前进积分求解。计算结果与试验结果基本一致,说明本计算方法是可行的。     

大型煤气柜风荷载的风洞试验及数值模拟

对某大型煤气柜进行了风洞测压试验及风压数值模拟.分析了试验模型表面风压分布及其脉动特性,并同数值计算结果、规范条文中类似断面结构的风压分布作对比.结果表明:风洞试验中由于结构表面分布的工字钢及表面粗糙度的处理,雷诺数效应对表面风压分布影响并不明显,但对表面绕流场分离区的风压值有一定影响.结构的均方根升力、阻力系数在频域表现为宽带谱;采用基于雷诺平均的RNG k-ε湍流模型能较准确地模拟表面平均风压分布,其计算结果同样可为结构抗风设计提供参考;在不同量级雷诺数下数值模拟得到的平均风压分布能反映出雷诺数效应的影响.     

管道效应对进气道试验湍流度测量的影响研究

进气道风洞试验中，湍流度由动态压力计算得到，动态压力的测量是否精确与动态压力传感器前方导压通道的管道效应相关。基于管道内流体动力学耗散模型，研究了导压通道对动态压力和湍流度的影响，并通过进气道风洞试验进行了验证。研究结果表明:进气道风洞试验中导压通道的管道效应对湍流度的影响较明显，管道效应会放大动态压力的脉动幅值，导致测量湍流度大于真实湍流度。为了减小管道效应对湍流度的影响，进气道试验中应避免使用导压的方式进行动态压力的测量。如果不可避免地存在导压通道时，在导压通道长度大于5 mm时，须考虑管道效应对湍流度测量的影响，并进行相应的修正。     

氮气辐射强度的激波管测量与验证

超高速飞行器的热防护设计必须考虑激波层内高温气体发射与吸收的辐射能量，需要有效的辐射加热评估手段。相应飞行条件下的光谱辐射强度地面实验测量是验证数值模型和方法、理解高焓流动的重要手段。基于燃烧驱动激波管，发展辐射强度标定技术，针对富氮气环境，开展高温气体光谱辐射强度的高分辨定量化测试，掌握辐射特征，为数值验证提供基础数据。实验获得了激波速度5.70和6.20km/s条件下的气体光谱辐射强度精细结构，数据表明激波波后的非平衡过程对辐射强度存在很大影响。通过求解耦合化学反应动力学模型的Navier-Stokes方程和辐射特性模型，得到对应实验条件下的流场参数和辐射强度，计算结果和实验数据符合很好，验证了数值模拟方法。