三维舵面绕流的N-S方程数值计算研究

通过自动生成复杂构型的非结构混合网格。采用格心格式的有限体积法以适应不同的网格单元，应用Spalart-Allmaras湍流模型进行绕三维舵面流动的N-S方程数值模拟，将部分计算铰链力矩结果与风洞试验结果进行了对比分析。说明了计算方法对粘性流动良好的适应性,分析了迎角、马赫数、雷诺数对舵面铰链力矩的影响以及计算方法的可靠性和计算结果的合理性。     

二维舵面绕流的N-S方程数值计算研究

本文基于结构化网格,应用Baldwin-Lomax湍流模型进行绕舵面流动的二维N-S方程数值模拟,将部分计算结果与风洞试验结果进行了对比分析研究,分析了计算方法的可靠性和计算结果的合理性.为开展三维舵面绕流的N-S方程数值模拟和铰链力矩数值计算研究奠定了基础.     

飞翼飞机开裂式阻力方向舵铰链力矩的预测

飞翼布局无人机开裂式阻力方向舵是一新型操纵面。文中对开裂式阻力方向舵对飞翼的航向操纵特性进行了分析,建立了舵面受力模型和全面的航向舵容量计算公式。通过全机风洞测力试验数据分析证实该模型合理、正确。依据该受力模型将舵面铰链力矩和全机受力联系起来,建立了一种新的通过全机测力试验数据预测开裂式阻力方向舵铰链力矩的实用方法。最后通过风洞测压试验结果得到阻力舵铰链力矩,并与预测结果进行了比较。两者最大相对误差为15%,且舵偏角越大,误差越小。40°舵偏时误差仅为2.5%。     

四分量片式铰链力矩天平技术及风洞实验应用研究

针对目前风洞铰链力矩实验中的一种三分量片式结构铰链力矩天平没有轴向力测量元件的不足,提出一种切实可行的四分量片式结构铰链力矩天平设计方案,进行了物理样机的研制,应用于某模型升降舵风洞铰链力矩实验中。实验结果与理论分析获得了良好的一致性,在舵面偏角为21°时,由忽略轴向力测量带来的舵面法向力系数相对误差百分比为14.7%,舵面弦向压心位置相对误差百分比为17.2%。     

舵面铰链力矩的估算

本文以某一飞行器为例,详细论述了如何利用常规测力试验数据和工程估算的方法计算舵面铰链力矩上限的过程,对于以后的铰链力矩试验有较大的指导意义.     

FL-2风洞三维舵面铰链力矩实验研究

飞行器舵面铰链力矩测量风洞实验一般都采用应变片天平测量。由于诸多条件所限，比如天平刚度问题，舵面缝隙引起的上下窜流，铰链力矩测量实验技术一直是风洞实验中的难点。特别是现代飞机舵面越来越薄，这样，为了尽可能地真实模拟飞机外形，减少对翼面和舵面外形的破坏，留给天平的空间尺寸就很有限，天平尺寸更有限，必导致天平刚度较弱，在气动载荷作用下，天平弹性变形较大，给实验结果带来误差。所以如何保证铰链力矩实验结果的准确可靠，减少误差，一直是铰链力矩实验的难点。为确保实验结果的可靠性，本次实验采用单分量轴式天平和三分量舌片式天平相结合共同测量。这样，两者实验结果互相比较验证，可分析出实验结果的精准度。     

提高测量最大铰链力矩试验数据精准度的有效模拟技术研究

简述了“舵面气动特性研究”的研究内容之一，提高测量最大铰链力矩试验数据精准度的有效模拟技术，铰链力矩试验的目的就是确定操纵面的最大铰链力矩。通过对铰链力矩试验方法的研究和对铰链力矩天平的技术攻关，成功地研制了一台新型铰链力矩天平；提高测量最大铰链力矩试验数据精准度的有效模拟技术研究卓有成效。研究结果表明：将细长体导弹升力面以前的弹身等直段适当截短对尾舵的气动特性影响很小，这对于提高测量战术导弹操纵面最大铰链力矩的精准度十分有意义。     

混合网格方法在栅格翼数值模拟中的应用研究

栅格翼是采用一种蜂房结构设计的升力面和控制面,和传统舵面相比具有铰链力矩小、能在较大攻角下保持升力等特点,并得到了越来越广泛的应用。由于栅格尾翼的特殊结构,网格生成具有很大的难度。本文采用了结构、非结构混合网格的办法,在弹体和栅格翼的物面附近区域,生成适合粘性计算的大长宽比的结构网格,弹体网格和栅格翼网格之间采用非结构网格进行填充,满足非结构网格和结构网格交接面的完全对接。本文基于结构/非结构网格体系采用有限体积方法求解NS方程,对不同舵偏角下的栅格翼构形进行了数值模拟,并通过实验结果对数值方法进行了验证。     

高超声速风洞舵面测力双天平技术及应用

介绍了舵面的双天平测力技术,以及它在0.5m高超声速风洞铰链力矩试验中的应用。天平为轮毂结构形式,竖置在一种十字型尾翼布局的体-尾组合体的后端。在一次吹风中可同时测量左右两片水平全动舵的气动特性,给出Ma=6舵面法向力、铰链力矩、弦向压力中心等系数随迎角的变化特性,定量描述大迎角大舵偏角条件下,舵面气动特性的非线性效应,以及由此引起控制力增量的变化趋势。     

三维副翼铰链力矩计算

 数值模拟了带副翼偏转构型的二维、三维亚、跨、超声速来流情况的绕流流场，采用有限体积方法和AUSM+迎风格式数值求解N-S方程，四步龙格-库塔时间推进，湍流模型为Baldwin-Lomax和Spalart-Allmaras湍流模型。二维模拟压强分布与实验数据以及CFD软件模拟结果吻合较好。采用交错对接网格，数值模拟了不同副翼偏角和缝隙、来流马赫数、迎角和雷诺数的三维构型流场。通过舵面铰链力矩与实验数据的对比分析表明了该数值方法模拟此类复杂流场的可靠性和舵面铰链力矩计算的有效性。发现并研究了亚声速来流时铰链力矩随迎角的反向变化趋势，初步分析了副翼的缝隙和雷诺数效应。     

机身减速板流动特性研究（英文）

现役高机动战斗机普遍采用机身减速板来减小飞行速度和转弯半径并提高机动能力。采用物面测压及空间流场测量相结合的实验方法,在机身减速板开度60°,机身迎角0°～70°条件下,研究了机身减速板铰链力矩随迎角的变化规律,分析了减速板迎风侧和背风侧的流动结构。研究结果表明：减速板铰链力矩按迎角可分为3个区域：常值区（α=0°～16°）,减速板铰链力矩基本不变,因为减速板迎风侧正压力逐渐减小,而背风侧负压力逐渐增加,两种相反的变化趋势相互抵消。非线性增长区（α=16°～32°）,减速板铰链力矩显著增加,因为减速板铰链力矩主要贡献区为背风侧,该迎角区内减速板背风侧存在一对不断增强的旋涡,背风侧负压力显著增加。在非线性衰减区（α=32°～70°）,减速板铰链力矩在迎角32°～36°范围内急剧减小,因为在迎角36°减速板背风侧旋涡流动变为速度较低的再附流动;减速板铰链力矩在迎角36°～44°范围内逐渐增加,因为该迎角区作用于减速板迎风侧的机身涡不断增强,导致减速板迎风侧正压力显著增加;减速板铰链力矩在迎角44°～70°范围内逐渐减小,因为该迎角区作用于减速板迎风侧的机身涡不断减弱直至破裂,导致减速板迎风侧正压力逐渐减小。     

Numerical studies of static aeroelastic effects on grid fin aerodynamic performances

The grid fin is an unconventional control surface used on missiles and rockets. Although aerodynamics of grid fin has been studied by many researchers, few considers the aeroelastic effects.In this paper, the static aeroelastic simulations are performed by the coupled viscous computational fluid dynamics with structural flexibility method in transonic and supersonic regimes. The developed coupling strategy including fluid–structure interpolation and volume mesh motion schemes is based on radial basis functions. Results are presented for a vertical and a horizontal grid fin mounted on a body. Horizontal fin results show that the deformed fin is swept backward and the axial force is increased. The deformations also induce the movement of center of pressure, causing the reduction and reversal in hinge moment for the transonic flow and the supersonic flow,respectively. For the vertical fin, the local effective incidences are increased due to the deformations so that the deformed normal force is greater than the original one. At high angles of attack, both the deformed and original normal forces experience a sudden reduction due to the interference of leeward separated vortices on the fin. Additionally, the increment in axial force is shown to correlate strongly with the increment in the square of normal force.     

QFT force loop design for the aerodynamic load simulator

A dynamic load simulator which can reproduce on-ground the aerodynamic hinge moment of a control surface is an essential rig for conducting performance and stability tests of aircraft actuation systems. The hinge moment varies widely over the flight envelope, depending on the specific flight condition and maneuvering status. To replicate the wide spectrum of this hinge moment variation within some accuracy hounds, a force controller is designed based on the Quantitative Feedback Theory (QFT). A dynamic model of the load actuation system Is derived, and compared with experimental results. Through this comparison, a nominal model of the load actuation system with some uncertainty bounds is developed. The efficacy of the QFT force controller is verified by a numerical simulation, in which combined aircraft dynamics, flight control law and hydraulic actuation system dynamics of the aircraft control surface are considered     

基于均值的副翼作动筒载荷事件划分方法

副翼是民用飞机重要操纵面之一,主要功用是产生飞机滚转力矩,用于改变飞机的航向。 现代中大型飞机的操纵系统大都采用伺服作动器-操纵面装置,当操纵面受到铰链力矩时作动器也相应受载。 以民用飞机副翼作动筒为研究对象,基于试飞实测数据与主操纵面作动筒载荷计算模型,提出了一种基于均值的作动筒载荷事件划分方法。 结果表明,该事件划分方法效果理想,较好地反映出了不同飞行事件之间载荷均值的差异。 通过对 14 000 次飞行作动筒载荷历程进行雨流处理,给出了相应的载荷谱及载荷幅值、均值分布直方图,总结出相关分布规律。 该疲劳载荷谱及相应的分布规律对工程实践中的寿命计算具有重要意义。     

全尺寸栅格舵铰链力矩天平研制

为准确获取带控制系统全尺寸栅格舵的静、动态铰链力矩数据,分析舵控系统性能,需要研制强度、刚度、灵敏度及抗电磁干扰能力均符合试验要求的风洞侧壁支撑天平。栅格舵法向力大,铰链力矩小,且试验平台限制了天平结构的长度,导致天平在载荷匹配与元件布置方面有较大难度。通过有限元分析技术优化天平结构,在适量放大铰链力矩载荷设计指标的基础上,采用法兰盘代替传统的锥连接,天平各元件串联布局等手段,成功研制出了满足试验要求的天平。试验结果显示,模型静、动态试验数据规律良好,天平的动态响应能力及对小量铰链力矩的测量满足试验需求。     

壁面温度控制对平板边界层影响的数值研究

通过对零压力梯度的平板边界层流动施加温度控制,展开壁面温度控制对平板层流边界层和湍流边界层影响的研究,探索温度控制对平板转捩雷诺数和壁面摩擦阻力的影响规律。采用带有转捩模式的三方程湍流模型对平板边界层流动进行数值模拟,重点考察了壁面摩阻系数、平板转捩雷诺数、湍流边界层流动随壁面温度变化的规律。计算结果表明在壁面温度从288 K 增大到432 K 时,边界层转捩雷诺数增大约36%,表面摩擦阻力减少约9.6%。研究分析表明：加热控制使层流区域温度边界层内粘性作用增强,雷诺切应力和湍动能减小,流动更加稳定;而湍流区域边界层内粘性底层中速度梯度和粘性切应力减小,导致壁面处摩擦切应力减小。因此壁面加热控制可以延迟边界层转捩,减小湍流区摩阻系数,并减小平板摩擦阻力。     

激波-边界层-分离流相互干扰三维湍流的数值模拟

本文采用数值方法求解时间相关三维可压缩雷诺平均Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程组,模拟激波—边界层—分离流相互干扰三维湍流流动。湍流模型为Ｂａｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ两层代数模型,改进后用于三维内流问题。采用单元中心有限体积法离散流场控制方程,ＶａｎＬｅｅｒ矢通量格式计算无粘通量,中心差分法计算粘性通量,ＬＵＳＧＳ时间推进格式计算定常流场。本文以二元跨音速扩压器内三流动为算例,数值模拟较强激波—边界层—分离流相互干扰维湍流流动,并与实验结果进行了比较。数值模拟结果,在激波强度、分离点位置和再附点位置等方面,与实验结果吻合较好。     

Smart flight control surfaces with microelectromechanical systems

Pitch, roll, and yaw moments can be developed by deflecting and changing the geometry of control surfaces. In this paper, smart flight control surfaces are designed using multi-node microelectromechanical systems (MEMS) to displace control surfaces and change the surface geometry. These MEMS augment translational motion microstructures (actuators-sensors), controlling/signal processing integrated circuits (ICs), radiating energy devices and antennas. The desired pitch, roll, and yaw moments are produced, drag can be reduced, and unsteady aerodynamic flows are controlled by smart flight control surfaces. That is, we achieve aerodynamic moment and active flow control capabilities. The major objective here is to report fundamental and applied research in design of smart flight control surfaces with MEMS-based actuator-sensor-IC arrays controlled by hierarchical distributed systems. We demonstrate the feasibility and effectiveness of the application of smart flight control surfaces for coordinated longitudinal and lateral vehicle control     

襟翼辅助扰流板进行滚转控制和空中制动的数值研究

对带有上偏20°扰流板和不同偏角铰链襟翼的二维翼型气动性能进行了数值研究,并选择了分别适用于大型客机滚转控制和空中制动的襟翼辅助偏转方案。计算结果表明:(1)对于滚转控制,在将扰流板上偏的基础上进一步将铰链襟翼辅助上偏,既能产生更大的滚转力矩,又能避免不必要的阻力增加;(2)对于空中制动,在将扰流板上偏的基础上进一步将铰链襟翼辅助下偏,既能获得更好地减速效果,又能避免不必要的升力损失。