飞行器失稳平面振荡运动的物理机制

基于全局亚迭代耦合求解非定常流体动力学方程和刚体动力学方程(CFD/RBD),研究动不稳定飞行器在自由俯仰与自由沉浮二自由度下自激发平面失稳运动的非定常特征。数值研究表明:超声速锥-柱-裙飞行器的平面失稳运动发展为极限环形式,并伴随着波系结构非定常变化;平面运动保持了自由俯仰基本运动特征,但同步自由沉浮使得极限环周期运动的振幅更小、频率更快;平面自由运动中飞行器绕靠近头部的"不动点"转动。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(MTS)获得参数化运动特征:自激振动过程是拟简谐运动;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;模型分析证实了平面自由运动的"不动点"现象并自洽地解释了沉浮自由度存在使得极限环振幅变小的动力学机制。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。     

一种近空间高超声速飞行器滚转稳定性研究

研究近空间高升阻比构型高超声速飞行器面临的复杂稳定性问题,对其机动飞行安全和操控具有重要意义。为此,通过静、动态风洞试验和数值模拟,开展了类HTV-2飞行器布局典型马赫数和迎角下,滚转方向静稳定性、单自由度和两自由度俯仰/滚转耦合运动动稳定性研究。结果表明：飞行器滚转方向为静稳定;自由振动的滚转单自由度运动为衰减振动曲线,动导数为负值,表现为动稳定;强迫俯仰/自由滚转两自由度耦合运动情况下,由于惯性力矩和非对称滚转力矩共同作用,导致滚转出现振幅周期性变化的极限环运动,甚至失稳发散。     

细长三角翼摇滚运动数值研究

采用亚迭代耦合求解流体动力学方程和刚体动力学方程数值研究方法,建立流体与刚体运动耦合的无时间滞后的数值手段来分析研究飞行器非定常的耦合运动特征,预测失稳运动的发生与发展。研究表明:在流动结构失稳后机体运动逐步形成极限环振荡的周期性自维持运动,滚转力矩系数滞回曲线呈现典型的”双8”稳定形态,前缘涡的非对称飘起与再附是典型三角翼摇滚的驱动形式;三角翼构型的自由滚振幅随攻角变化呈现阶跃式的变化;自激振荡的幅度及频率与滚动惯量的大小存在对应的规律性关系。非定常自激振动的翼摇滚具有多控制参数、非稳定、非线性的运动特征。     

考虑多种物理效应的钝锥俯仰稳定性参数影响分析

首先采用二阶ROE格式计算了非定常NS方程下高超声速钝锥体的俯仰阻尼导数,通过与文献中内伏牛顿法和实验结果对比验证了本文所采用非定常计算方法的正确性.同时采用二阶ROE格式及双时间步长、刚性旋转动网格技术等,数值分析了NS方程计算条件下高空高马赫数钝锥体模型的强迫振动非定常流场特征,并运用最小二乘法辨识出其俯仰静稳定性导数与俯仰阻尼导数.通过计算结果对比分析了不同高度(含稀薄气体效应)、Maxwell滑移边界条件及五组元化学非平衡模型对钝锥体模型非定常流动特征及静、动导数的影响.结果分析表明,本文所计算的钝锥模型在所假设强迫振动下的俯仰稳定性参数随高度变化剧烈,且考虑滑移边界条件与化学反应会使得俯仰力矩迟滞曲线形态发生较大程度改变.准确计算高空、高马赫数条件下飞行器俯仰阻尼导数应考虑化学非平衡效应和稀薄气体效应的影响,是否考虑这些物理效应会关系到飞行器静、动稳定的程度.     

80°后掠三角翼强迫俯仰、自由滚转双自由度耦合运动特性数值研究

耦合求解NS方程和刚体动力学方程数值研究了80°后掠三角翼强迫俯仰、自由滚转双自由度运动特性。内容包括:对比双自由度俯仰/滚转运动和单自由度滚转及俯仰运动特性的差异,研究动态俯仰角对三角翼滚转运动振幅和频率的影响以及三角翼双自由度运动条件下的气动力特性。结果表明:在动态俯仰角的影响下,细长三角翼不能形成极限环形式的振荡;俯仰运动的迟滞效应造成滚转振幅的变化落后于俯仰角的变化;俯仰耦合滚转运动将会导致飞行器升力降低,横向稳定性变差。     

80°后掠三角翼强迫俯仰、自由滚转双自由度耦合运动特性数值研究北大核心CSCD

耦合求解NS方程和刚体动力学方程数值研究了80°后掠三角翼强迫俯仰、自由滚转双自由度运动特性。内容包括:对比双自由度俯仰/滚转运动和单自由度滚转及俯仰运动特性的差异,研究动态俯仰角对三角翼滚转运动振幅和频率的影响以及三角翼双自由度运动条件下的气动力特性。结果表明:在动态俯仰角的影响下,细长三角翼不能形成极限环形式的振荡;俯仰运动的迟滞效应造成滚转振幅的变化落后于俯仰角的变化;俯仰耦合滚转运动将会导致飞行器升力降低,横向稳定性变差。     

某典型飞行器模型俯仰/滚转两自由度耦合动态气动特性

先进飞行器在大迎角高机动飞行过程中,气动力复杂演化与运动姿态剧烈变化的相互作用,容易诱发俯仰拉起的滚转或侧偏等耦合运动,呈现出十分强烈的多自由度动态气动力特性。为此,选取某典型四代机修型设计模型,利用FL-26风洞专用的俯仰/滚转两自由度动态试验装置,开展了单自由度和俯仰/滚转两自由度耦合运动的动态气动力特性研究。结果表明,研究模型在迎角30°左右会出现滚转单自由度的侧偏和小振幅摇滚运动现象;俯仰单自由度振动条件下,模型法向力和俯仰力矩会出现明显的气动迟滞特性;在强迫俯仰/自由滚转（或强迫滚转）两自由度耦合运动情况下,模型的侧偏运动幅值得到了一定的抑制,但纵横向气动力都出现了迟滞现象,甚至是多个气动迟滞环结构,容易引发耦合失稳发散。     

再入飞行器俯仰动态失稳的分叉理论与计算分析

采用非线性自治动力系统分叉理论,耦合求解非定常Navier-Stokes方程和俯仰运动方程,研究了再入飞行器单自由度俯仰运动失稳问题。研究表明,航天飞行器再入时,如果仅有一个配平攻角,随马赫数降低,其配平攻角处的俯仰动态失稳一般对应于Hopf分叉,并存在亚临界Hopf分叉和超临界Hopf分叉两种失稳形态。作为验证实例,数值模拟了飞船返回舱外形和平头有翼双锥外形的俯仰动态失稳现象。结果表明,返回舱再入时,随马赫数降低将发生超临界Hopf分叉,俯仰运动由点吸引子演化为周期吸引子,临界Hopf分叉点发生在马赫数2.2处;而平头再入体随马赫数降低,发生亚临界Hopf分叉,俯仰运动则是由周期吸引子演化为点吸引子,马赫数6.8为临界Hopf分叉点。     

非定常运动下的激波/边界层干扰分离特性研究

采用高精度数值方法求解非定常雷诺平均N-S方程和单自由度强迫俯仰运动方程,研究二维压缩拐角模型在等速抬头/低头和周期性俯仰振动等运动方式下的非定常激波/边界层干扰问题,考察角速度、振幅和频率等参数对分离区非定常变化规律的影响。结果表明,压缩拐角等速抬头运动时分离区减小、等速低头运动时分离区增大,周期性俯仰振动时分离点、再附点以及分离区大小的变化都与模型振动频率相同。与相同来流条件下定姿态计算对比分析表明,压缩拐角壁面运动产生的非定常迟滞作用使分离区大小变化减慢,俯仰振动振幅对分离区大小变化影响较大、而对变化的相位影响较小,而振动频率的改变对分离区大小变化的相位影响很大、对分离区大小影响较小。     

飞行器双自由度耦合振荡的数值模拟方法

针对模拟双自由度(2DOF)运动的"PQR"强迫振荡试验装置,通过坐标变换,将机构运动转化为空间欧拉角进行表示,实现对机构俯仰/偏航、俯仰/滚转和偏航/滚转等3种耦合运动的统一描述,采用预定运动轨迹的动网格计算技术,构造了基于非定常雷诺平均Navier-Stokes(URANS)方程的飞行器双自由度振荡数值模拟方法。围绕某复杂构型飞行器低速流动,在模型迎角10°、滚转角±40°、偏航角±40°振荡预设条件下分别对单自由度偏航、滚转振荡和双自由度偏航/滚转振荡进行了模拟,得到的气动系数迟滞回线在形态和量值上与风洞试验结果吻合,证明当前方法可以作为飞行器复杂耦合运动的一种有效研究手段。针对偏航/滚转耦合振荡,从运动形式和气动特性上与单独偏航、滚转运动进行了对比分析,结果表明,耦合运动在气流角、绕体轴的旋转角速度等方面与单自由度叠加效果不同,力矩系数迟滞回线存在曲线交叉的现象,表现出与单自由度振荡不同的阻尼特性。在当前模拟状态下,偏航/滚转振荡流场以横向分离涡运动为主要特征,可以推测大迎角情况下纵横向分离涡流动结构更加复杂,耦合作用更强,需要进一步在分离流模拟方法上开展研究。     

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。     

基于CFD/CSD紧耦合的旋翼翼型气弹分析

采用CFD/CSD（计算流体力学/计算结构力学）紧耦合的方法,以Fluent软件作为主控平台,通过UDF（用户自定义函数）及I/O（输入/输出）文件读写的方式实现结构响应和气动载荷的数据交换,耦合求解了旋翼桨叶剖面的气动力和振动响应.在此基础上研究旋翼桨叶剖面在变距、沉降（挥舞）和周期交变来流条件下的气动特性和振动响应特性.结果表明:桨叶剖面在轻失速情况下,气动载荷周期性比较好,表现出光滑的迟滞环曲线,结构沉降响应也表现出光滑的周期性现象,扭转响应出现局部轻微振荡.深失速情况下,气动载荷及结构响应都表现出强烈的非线性振荡,高频成分较为明显.      

基于刚性动网格技术的动导数数值模拟

基于刚性动网格技术,建立了俯仰动导数的非定常数值计算方法.首先使用小幅度强迫俯仰振荡方法求解俯仰组合动导数,然后利用小幅度强迫升沉振荡方法求解洗流时差导数,通过两者相减即可得到俯仰阻尼导数.利用国际动导数标准模型Finner导弹进行算例验证,计算得到的俯仰组合动导数与试验值误差为2.76%,洗流时差导数值约为俯仰阻尼导数的11.5%,与文献的结果一致.结论表明:动导数单独模拟方法具有较好的工程实用价值,且可以推广到横向以及航向的动导数数值模拟.      

三角翼俯仰振荡中若干参数影响的实验研究

本文研究一个 6 0°三角翼以不同振荡频率 ,不同振幅从不同起始迎角进行俯仰振荡的纵向气动力特性 ,研究发现跨越具有不同时间尺度的流态的振荡会产生明显的气动力迟滞现象 ,这一迟滞现象随减缩频率的增大有一个极限值 ;在同一种流态下振荡 ,气动力迟滞现象不明显 ,这一结果对充分利用非定常气动力有指导意义。     

双三角翼俯仰振荡运动的流场特性数值模拟

 建立了适用于双三角翼大迎角非定常分离流场模拟的数值方法,研究双三角翼俯仰振荡时的动态流场特性,给出动态流场结构和气动力性能随迎角的变化规律,重点考察了减缩频率、转轴位置、平均迎角和振幅等参数对动态流场迟滞效应和气动力曲线迟滞环的影响。研究结果表明:俯仰振荡到相同大迎角时上仰和下俯的流场存在明显差异;减缩频率对气动力迟滞效应的影响相对大于转轴位置;平均迎角的变化导致双三角翼背风区流场结构呈现不同流态,而振幅的大小决定这些流态的数目,事实上俯仰运动时如果跨越的流态数目越多则流场结构的动态响应滞后现象就越显著。通过数值分析,有利于提高对双三角翼在俯仰振荡运动条件下的非定常特性和流场滞后效应等非线性现象的认识。     

基于数值虚拟飞行技术的飞行器动态特性分析

基于结合结构重叠网格、闭环PID控制器、舵偏控制律、刚体六自由度运动和非定常Navier-Stokes方程求解等模块的数值虚拟飞行技术,对“起源号”返回舱、基本带翼导弹外形的多自由度非定常运动、受控特性及控制参数的整定开展了模拟。分析了不同自由度（DOF）下飞行器的运动特性,飞行器受扰动后的稳定性及控制参数的整定。计算结果表明：利用数值虚拟飞行技术可有效地开展复杂流动下飞行物体非线性运动问题的研究,对研究飞行器在非线性流动下的动态特性、受控特性、流动机理研究以及控制律的设计检验具有较高的工程价值和应用前景。     

Unstable unsteady aerodynamic modeling based on least squares support vector machines with general excitation

Common, unsteady aerodynamic modeling methods usually use wind tunnel test data from forced vibration tests to predict stable hysteresis loop. However, these methods ignore the initial unstable process of entering the hysteresis loop that exists in the actual maneuvering process of the aircraft. Here, an excitation input suitable for nonlinear system identification is introduced to model unsteady aerodynamic forces with any motion in the amplitude and frequency ranges based on the Least Squares Support Vector Machines (LS-SVMs). In the selection of the input form, avoiding the use of reduced frequency as a parameter makes the model more universal. After model training is completed, the method is applied to predict the lift coefficient, drag coefficient and pitching moment coefficient of the RAE2822 airfoil, in sine and sweep motions under the conditions of plunging and pitching at Mach number 0.8. The predicted results of the initial unstable process and the final stable process are in close agreement with the Computational Fluid Dynamics (CFD) data, demonstrating the feasibility of the model for nonlinear unsteady aerodynamics modeling and the effectiveness of the input design approach.     

Mechanism analysis of hysteretic aerodynamic characteristics on variable-sweep wings

Variable-sweep wings have large shape-changing capabilities and wide flight envelops, which are considered as one of the most promising directions for intelligent morphing UAVs. Aerodynamic investigations always focus on several static states in the varying sweep process, which ignore the unsteady aerodynamic characteristics. However, deviations to static aerodynamic forces are inevitably caused by dynamic sweep motion. In this work, first, unsteady aerodynamic characteristics on a typical variable-sweep UAV with large aspect ratio were analyzed. Then, deep mechanism of unsteady aerodynamic characteristics in the varying sweep process was studied. Finally, numerical simulation method integrated with structured moving overset grids was applied to solve the unsteady fluid of varying sweep process. The simulation results of a sweep forward-backward circle show a distinct dynamic hysteresis loop surrounding the static data for the aerodynamic forces. Compared with the static lift coefficients , at the same sweep angles, dynamic  lift coefficient in sweep forward process are all smaller, while dynamic sweep backward  lift coefficient are all larger. In addition, dynamic deviations to static  lift coefficient are positively related with the varying sweep speeds. Mechanism study on the unsteady aerodynamic characteristics indicates that three key factors lead to the dynamic hysteresis loop in varying sweep process. They are the effects of additional velocity caused by varying sweep motion, the effects of flow hysteresis and viscosity. The additional velocity induced by sweep motion affects the transversal flow direction along the wing and the effective angle of attack at the airfoil profile. The physical properties of flow, the hysteresis and viscosity affect the unsteady aerodynamic characteristics by flow separation and induced vortexes.     

Stochastic analysis of two dimensional nonlinear panels with structural damping under random excitation

Stochastic behavior of panels in supersonic flow is investigated to assess the significance of including the damping caused by the strains resulting from axial extension of the panel. The governing equations of motion are based on the Von Karman's large deflection equation and are considered with Kelvin's model of structural damping. The panel under study is two dimensional and simply supported for which the first order piston theory is used to account for the unsteady aerodynamic loading. Transformation of the governing partial differential equation to a set of ordinary differential equations is performed through the Galerkin averaging technique. The statistical response moment equations are generated for two modes using the Fokker–Planck equation with a Gaussian closure scheme. The response moments history and their steady state values are considered. Comparison with previous studies shows that the new nonlinear damping term developed through modeling has a significant effect on the response moments. This is verified through analysis of the effects of external pressure and in-plane force spectral density, air-to-structure mass ratio and structural damping ratio on the mean square value of modal amplitudes.