翼型和机翼阵风响应的数值模拟

采用有限体积法来数值求解非定常Euler和NS方程,并在非定常计算中通过引入"网格速度"来计入阵风的影响,实现了对刚性翼型和机翼阵风响应的有效数值模拟。首先采用该方法来对翼型攻角突然增大的阵风、陡边型阵风这两种典型阵风情况下的翼型气动力响应进行了计算,结果表明:计算结果与现有的一些理论结果都符合较好,与文献中计算结果也吻合,NS方程的计算结果与Euler方程计算结果在变化趋势上是一致的,但具体的数值有差别。最后针对攻角突然增大的阵风,对不同马赫数下不同展弦比平直机翼的阵风响应进行了数值模拟,得出的计算结果与文献中的计算结果一致。     

基于CFD方法的机翼阵风响应研究

通过引入＂网格速度＂方法模拟阵风条件,求解非定常欧拉方程实现了不同展弦比0012平直机翼阵风响应的数值模拟。首先采用该方法对NACA0006翼型迎角阶跃型阵风的气动力响应进行了计算,计算结果与文献结果、理论值吻合良好。进一步对展弦比分别为5、10的0012平直机翼在迎角阶跃型、One-Minus-Cosine型阵风作用下的气动力响应过程进行了模拟分析。研究结果表明,当展弦比增大时,阵风作用下机翼的升力系数响应会增加,机翼翼根部位气动响应幅值大于翼尖部位响应特性。     

基于直接力控制的阵风响应及阵风减缓研究

考察某无人机模型的阵风气动响应特性和基于直接力操纵的阵风减缓效果.在求解非定常Euler方程时引入“网格速度”方法模拟阵风边界条件,通过动态嵌套网格技术实现舵面运动.首先对NACA0006翼型迎角阶跃型阵风的气动力响应进行了验证计算,计算结果与理论结果、文献计算结果吻合良好.在此基础上对某无人机模型在迎角阶跃型、One-minus-cosine型阵风作用下的气动力响应过程进行了数值模拟,并分析评估了不同舵面运动方式对飞机气动性能的影响.最终研究比较了不同舵面运动方式下阵风气动响应的减缓效果.结果表明:通过合理设计舵面运动,可以有效达到抑制阵风引起的非定常气动干扰的目的.     

基于速度分裂法的翼型阵风响应及减缓数值模拟

国内现阶段飞行器阵风响应CFD模拟通常采用网格速度法（FVM）,而近年提出的更为准确的速度分裂法（SVM）目前主要针对刚性飞行器阵风响应分析。本文将SVM拓展至弹性翼型的One-Minus-Cosine阵风响应计算和减缓研究。基于动态网格系统非定常Navier-Stokes方程,将阵风条件下的速度场分解为阵风速度与背景速度的叠加,理论推导出SVM阵风模拟控制方程,结果表明,FVM是SVM忽略源项后的一种近似方法。进一步建立起弹性翼型阵风响应预测的CFD/CSD时域耦合算法和基于俯仰控制的阵风响应减缓数值模拟方法。算例分析了NACA0012刚性及弹性翼型的One-Minus-Cosine阵风响应,计算结果与文献数据一致,在此基础上分析了阵风尺度、黏性和结构弹性对阵风响应的影响。开展了NACA64A010弹性翼型One-Minus-Cosine阵风减缓模拟,结果表明：单一的沉浮速度控制输入量更有利于减缓阵风载荷峰值,而沉浮速度、俯仰角相结合的控制输入量则能同时减缓翼型的沉浮和俯仰运动。本文工作可为三维飞行器阵风响应和减缓研究提供参考。     

基于POD和ARMA的阵风响应预测降阶模型研究

针对阵风响应流场高效精确分析需求,基于非定常CFD数值模拟发展了一种快速流场预测的降阶模型。采用本征正交分解(POD)方法对高斯阵风激励的CFD非定常流场快照进行特征分析、并基于能量占比准则截取主要基模态来降维,采用自回归滑动平均(ARMA)方法建立各主要基模态系数的线性预测模型。采用NACA0012和DLR-F12的分析算例进行了验证,与CFD非定常计算结果对比分析表明,模型具有可靠的计算精度,适合于精确高效快速分析阵风响应,为阵风减缓设计提供技术支撑。     

旋翼翼型非定常动态失速响应的计算

基于旋翼非定常翼型气动模型,给出了计算分离流和深度失速状态下的翼型非定常升力、俯仰力矩的数值计算方法。该方法采用半经验指数响应公式,利用数值离散方法来求解翼型的非定常法向力和俯仰力矩。分别计算了NACA0012和SC-1095翼型上的非定常气动载荷,并与可得到的试验结果进行了对比,验证了方法的有效性。文中还讨论了缩减频率和马赫数对动态失速响应的影响;然后,这个模型被改进以适用于后掠流下的翼型动态失速响应计算,分析了后掠角对翼型动态失速响应的影响。最后,得出了一些结论。     

波阵风中的弹性飞机动力学建模与仿真

爆炸产生的波阵风以超声速或声速传播，且携带了高能扰动能量，它会对飞机产生显著的扰动作用甚至破坏作用。本文阐述了爆炸波阵风的模型，定义了波阵风与飞机的作用方法。将波阵风对飞机的作用折算为下洗效应，采用亚声速偶极子格网法，推导了波阵风对飞机的非定常激励力计算公式，基于此建立了波阵风中的弹性飞机动力学模型，提出了波阵风中的弹性飞机动响应仿真流程。数值仿真结果表明：波阵风激励力计算方法有效，能满足工程实践需求；在质心处，弹性飞机与刚体飞机的动响应差异不大；在翼尖区域，由于气动弹性效应，弹性飞机与刚体飞机的动响应结果有显著差别；波阵风的激励能量主要集中于1 Hz以下，在构建弹性飞机动力学模型时可以忽略振动频率比较高的弹性模态。     

阵风响应及减缓的非定常数值模拟

基于网格速度和动网格方法,通过求解非定常N-S方程计算翼型副翼偏转时的阵风减缓响应,研究开环控制律参数和副翼缝隙对阵风减缓效果的影响。对于单个1-cos阵风,随着偏转角度的增大,减缓效果变大;由于粘性的影响,CFD计算得到的升力峰值减小量明显呈非线性的趋势,减缓效果低于准定常线性理论。对于连续sin阵风,通过调整副翼偏转的频率和最大偏转角,升力能达到很好的减缓效果,此时,副翼偏转频率应接近阵风频率,最大偏转角存在一个最优值。在阵风环境下,副翼间隙对升力系数影响不大,而力矩系数增大一倍,间隙会降低副翼偏转对升力的减缓效果。     

阵风与叶栅干涉噪声的数值模拟

采用计算气动声学方法求解二维线化欧拉方程对阵风与叶栅的干涉噪声进行了数值模拟。为减少频散和耗散误差,采用七点四阶频散相关保持有限差分格式进行空间离散;时间推进采用优化的4/6低频散低耗散龙格库塔法;在各边界处均选择或建立了适当的边界条件。首先通过模拟阵风在自由空间中的传播验证了无反射边界条件的可靠性;然后对阵风与平板叶栅的干涉问题进行了模拟,数值结果与精确解符合得很好;最后给出了阵风与NACA-0012翼型叶栅干涉的数值模拟结果,显示了数值求解方法的可行性。      

多控制面机翼阵风减缓主动控制与风洞试验验证

针对某大展弦比多控制面弹性机翼风洞模型,分别从频域和时域进行阵风响应分析和阵风响应减缓控制律设计.采用经典控制理论设计控制律,通过操纵位于0.6和0.8翼展处的内外侧控制面减小由正弦阵风引起的翼尖加速度(WTA).低频段的阵风减缓的数值分析与风洞试验结果均表明:多控制面的阵风减缓效果优于单控制面.当来流速度为14 m/s时,针对频率为2～5 Hz的阵风,采用多控制面得到的WTA减小10%～24%;当来流速度在8～16 m/s时,针对频率为2 Hz的正弦阵风,闭环状态下的翼尖加速度减小10%～40%;结构有限元模型与真实模型存在工程允许的误差导致理论与试验结果存在一定的误差.本文的工作对工程实际中采用阵风减缓技术具有参考价值.     

Application of Active Flow Control Technique for Gust Load Alleviation

A new gust load alleviation technique is presented in this paper based on active flow control. Numerical studies are conducted to investigate the beneficial effects on the aerodynamic characteristics of the quasi "Global Hawk" airfoil using arrays of jets during the gust process. Based on unsteady Navier-Stokes equations, the grid-velocity method is introduced to simulate the gust influence, and dynamic response in vertical gust flow perturbation is investigated for the airfoil as well. An unsteady surface transpiration boundary condition is enforced over a user specified portion of the airfoil’s surface to emulate the time dependent velocity boundary conditions. Firstly, after applying this method to simulate typical NACA0006 airfoil gust response to a step change in the angle of attack, it shows that the indicial responses of the airfoil make good agreement with the exact theoretical values and the calculated values in references. Furthermore, gust response characteristic for the quasi "Global Hawk" airfoil is analyzed. Five kinds of flow control techniques are introduced as steady blowing, steady suction, unsteady blowing, unsteady suction and synthetic jets. The physical analysis of the influence on the effects of gust load alleviation is proposed to provide some guidelines for practice. Numerical results have indicated that active flow control technique,as a new technology of gust load alleviation, can affect and suppress the fluid disturbances caused by gust so as to achieve the purpose of gust load alleviation.     

基于自适应随机优化的连续阵风关键载荷预测

连续阵风载荷是构成民用飞机设计工况的主要载荷之一，在设计阶段，任意一轮的模型更新都涉及到上万种载荷工况的计算，然而其中仅个别工况构成载荷包线，需进行强度校核。为此发展了一套阵风关键载荷的快速识别方法。首先，采用二水平全因子（2LFF）采样获取得到初始计算工况，基于已计算得到的载荷值，结合多元自适应回归样条（MARS）建立一个可靠的代理模型；然后，在此基础上，开创性地应用自适应随机优化技术，实现对阵风关键工况及载荷的主动搜索；最后，以适航条款规定的侧向连续阵风载荷进行方法验证及参数影响研究。计算结果表明，本文建立的方法可以高效且准确地实现连续阵风关键载荷的预测，针对本文算例，关键载荷的预测值与基准值相比误差小于1%。     

低速长航时无人机垂直突风过载分析

低速中空长航时无人机的升力非线性较强,利用标准离散突风模型和连续紊流模型计算得到的突风过载差别较大.针对该问题,本文采用改进的离散突风模型求解突风载荷,即直接求解突风条件下原始的运动学方程,并在运动历程中考虑非线性升力的影响.结果表明:改进的离散突风模型计算得到的突风载荷明显低于标准离散突风模型所得的载荷,更贴近无人机的实际情况,且改进的离散突风模型与连续紊流模型的计算结果也相近.     

一种基于随机优化算法的民用飞机突风动载荷重建方法

民用飞机突风载荷的准确重建对于飞行安全具有十分重要的意义。基于随机优化算法,提出一种突风动载荷重建方法。首先,基于频域气弹耦合方程,建立一个突风动载荷时域分析模型,其次,引入Hicks-Henne 型函数进行突风速度场的参数化建模,在此基础上,基于随机优化算法对各型函数参数进行迭代寻优,使得优化目标值与测量值一致,最终得到重建后的突风速度及对应的动态响应及载荷。最后,以GTA 模型经历1-cos 形状突风为例进行数值仿真。结果表明：本文提出的突风动载荷重建方法可有效实现突风速度场的识别,进而完成突风动载荷的重建;针对本文算例,过载最大误差为3.5%,载荷最大误差不超过1%。     

某高空长航时飞机垂直突风过载计算分析

应用离散突风模型和简化功率谱模型2种方法对某高空长航时飞机纵向突风刚体载荷进行了计算分析。计算结果表明,采用这两种方法计算结果相差60%以上,通过简要的理论分析指出,对于高空长航时类小翼载飞机,采用离散突风模型计算结果偏大,应采用简化功率谱模型或功率谱模型进行高空长航时飞机突风载荷的估算。     

Theoretical and Experimental Study of Gust Response Alleviation Using Neuro-fuzzy Control Law for a Flexible Wing Model

Two kinds of neuro-fuzzy gust response alleviation control laws are designed for a flexible large-aspect-ratio wing model. Simulations and comparisons of random gust alleviation using the two control laws are performed. Based on the better neuro-fuzzy control law, experiments and simulations of sinusoidal gust alleviation using one-control-surface control system and two-control-surface control system are developed. The investigations show that the two kinds of neuro-fuzzy gust response alleviation control laws can alleviate random gust responses effectively. The neuro-fuzzy gust response alleviation control law including a modifying factor is better than the other one without it. Further, the better one has good effects on the sinusoidal gust alleviation at different frequencies and flow velocities. The two-control-surface control system has better effects on gust response alleviation than the one-control-surface control system when the gust is strong. The simulation results agree well with the experimental results. These results can be usefully referenced to the design of actual gust alleviation control systems.