高超声速热流计算湍流模型性能评估

采用计算流体力学方法,通过对高超声速来流下双椭球热流计算,综合分析了影响壁面热流预测精度的因素.针对工程上4种常用的湍流模型:BL(Baldwin-Lomax)模型、SA(Spalart-Allmaras)模型、k-ω模型及SST(Shear-Stress Transport)模型,评估了其在高超声速热流预测中的性能,获得了湍流模型下壁面法向网格雷诺数对热流计算的影响规律.此外,对高马赫数下不同后掠角钝舵模型进行热流计算,获得了后掠角对钝舵前缘热流峰值的影响规律.研究表明,两方程湍流模型相比一方程和零方程模型更适合高超声速气动热计算,其中SST模型对热流预测精度更高,总体性能更为优异;钝舵驻点线最大热流随后掠角增大呈非单调变化,在后掠角约为22°时热流达到峰值.      

激波风洞7°尖锥边界层转捩实验研究

高超声速边界层转捩对摩阻、传热等有重要影响，飞行器的研制迫切希望能精确预测和控制边界层转捩。在JF8A激波风洞中开展了7°半锥角的高超声速尖锥边界层转捩实验研究，利用响应频率达到1 MHz量级的高频压力传感器对尖锥壁面脉动压力进行了测量，并结合热流测量结果，研究了高超声速尖锥边界层中扰动波的发展过程。实验结果表明:JF8A激波风洞在雷诺数为6.4×106/m状态下核心流的自由流噪声为2.8%；高频脉动压力测量技术能清晰地捕捉转捩过程中的第二模态波及其发展历程，试验状态下模型的第二模态波频率范围为165~206 kHz。当前研究结果能够为高超声速数值方法验证提供数据支撑。      

高超声速热流高精度数值模拟方法

通过高超声速下钝锥热流的计算,对影响热流计算精度的因素进行了综合研究.获得了壁面法向网格Re数对热流计算的影响规律.采用边界高阶插值,提高了热流计算精度.用Roe和AUSM(Advection Upstream Splitting Method)+格式搭配minmod和混合limiter两种限制器,探讨了空间离散方法及限制器的耗散性对热流结果的影响.应用五阶WENO(Weighted Essentially Non-Oscillatory)方法,对高阶格式计算热流的性能进行了细致研究,最终确立了网格依赖小,热流精度高的计算方法.研究认为:高阶格式不但可以放宽热流计算对网格Re数的限制,同时使得格式对本身计算方法的依赖性也变小.      

高超声速再入钝头体表面热流计算

基于跟踪流线的轴对称比拟法,采用纯工程算法、Euler数值计算与边界层内工程算法相结合的方法,对高超声速再入钝头体的表面热流进行了计算,并将计算结果与风洞实验数据进行了对比,两者吻合较好,验证了两种工程算法在计算高超声速飞行器热环境方面的正确性.将两种工程算法与数值求解N-S方程进行对比,表明工程算法在迎风面的热流计算方面有较高的精度,节约了计算时间,很好地满足高超声速飞行器概念研究和设计的需要.      

纳米酚醛气凝胶材料高温热物性参数辨识方法

临近空间高超声速飞行器大面积区域可能广泛采用纳米酚醛气凝胶(IPC)材料,获取高超声速气动加热作用下IPC材料的高温热物性参数,对于高超声速飞行器热防护系统的精细化设计具有重要的意义。考虑烧蚀效应的材料高温热物性参数辨识方法研究,基于Ablation Workshop烧蚀热响应标准算例对高温热物性参数辨识方法进行验证,计算结果表明：热物性参数辨识分析方法计算精度较高;通过带分层温度/烧蚀传感器的IPC材料电弧风洞试验,得到典型来流状态下不同厚度IPC材料内部的温度分布及热解厚度分布数据,通过辨识获得高温烧蚀条件下IPC材料热导率随温度的变化关系,IPC材料原始层热导率在温度低于800 K时随温度缓慢上升（热导率维持在0.1 W/(m·K)以下）,之后材料热解使得热导率发生突变,碳化层热导率在温度高于800 K时随着温度的上升急剧增大,到1 300 K左右时上升到0.17 W/(m·K)。     

基于AVSIMM算法的高超声速再入滑翔目标跟踪

针对跟踪高超声速目标的交互式多模型（IMM）算法中存在模型数量过多,模型之间竞争导致滤波精度降低的问题,在自适应网格交互式多模型（AGIMM）算法的基础上,提出了一种自适应变结构交互式多模型（AVSIMM）算法跟踪高超声速再入滑翔目标。根据高超声速无动力再入滑翔目标当前机动状态的角速度参数,在自适应调整当前时刻模型集中参数的同时,针对AGIMM算法运动学模型的单一性,设计了具有多种跟踪滤波运动学模型的AVSIMM算法,通过模型集参数与算法结构的双重自适应调整实现了对目标高精度的跟踪。仿真结果表明,与AGIMM算法相比,所设计的AVSIMM算法不仅对结构和参数都具有更强的自适应性,同时提高了高超目标的跟踪精度和跟踪效率。      

层流平板摩擦阻力的数值计算

为提高层流摩擦阻力数值计算的精度,采用数值求解N-S方程的方法,对层流平板摩擦阻力进行了计算.计算中采用4种先进上风格式,同时配合以14种不同的壁面法向网格分布和5种常用限制器,并将计算结果与布拉修斯解进行对比.结果表明,van Leer的FVS(Flux Vector Splitting)格式数值耗散大,对网格分布和限制器敏感,不适合用于摩擦阻力计算.限制器和计算格式的粘性分辨率越高,摩擦阻力的计算精度越高.在计算量允许的情况下,可以减小壁面法向第1层网格高度,以提高计算精度,但应同时兼顾网格长宽比.对于摩擦阻力计算,边界层内应至少布置4个网格点.      

多块网格计算跨音压气机带叶尖间隙流场

开发了三维数值模拟程序研究轴流跨音转子叶尖间隙流动,应用高雷诺数k-ε湍流模型加壁面函数的方法,计算了轴流跨音转子NASA Rotor37在设计转速下的流场.叶尖间隙采用分区的H型网格和主流区连续对接耦合计算,没有用间隙模型,也没有考虑Vena收缩效应而减小间隙量.在用有限体积法对Navier-Stokes方程和湍流方程进行空间离散的过程中采用了交错网格的方法将N-S方程与湍流方程紧密地耦合在一起,从而提高了计算精度.计算结果和实验数据进行了详细的比较和分析.结果表明,中部叶展具有与实验结果非常一致的流场特征,根、尖区流场则因涡粘假设和激波问题的存在而使流动细节与实验结果略有偏差.     

基于模型迁移方法的高超声速飞行器建模

高超声速飞行器的研发是一个小批量多批次的过程。为了降低实验成本缩短建模周期,引入了模型迁移方法计算具有相似外形的高超声速飞行器的气动参数。首先研究了一种评价飞行器气动外形间仿射相似度的方法,当相似度满足要求时,可使用模型迁移方法计算新飞行器的气动参数。接着基于高超声速相似律,使用基飞行器的气动参数对新飞行器气动参数初次迁移。当初次迁移结果不能满足建模精度要求时,应用偏差校正的方法对迁移过程修正。最后为了消除飞行高度对高超声速流黏性的影响,引入高超声速边界层理论迁移飞行器不同高度上的气动参数。通过对仿真结果的分析,验证了模型迁移方法对具有相似外形的高超声速飞行器建模的有效性。      

高超声速飞行器热载荷计算及影响因素分析

对吸热式热防护系统和液氮为冷源的高超声速飞行器热控系统,分别采用辐射热平衡法和双层集总参数法,建立了隔热层和舱内温度场的热力学模型,实现了气动加热、隔热层导热及舱内温度场等各传热环节的解耦.在此基础上,按照X-34验证机的飞行剖面对高超声速飞行器电子设备舱热载荷进行了计算,并分析了隔热层厚度、舱内冷却气体流速及液氮量对舱内温度和电子设备温度的影响.结果表明,该方法对热传递过程各环节响应特性能够较准确的分析,在工程方案初步设计阶段具有重要的应用价值.     

多翼导弹复杂流场及气动力的数值计算

将改进的Jameson格式应用到多翼导弹的三维流场计算中,并使用分区技术和三维椭圆微分方程数值网格生成技术以精确模拟此复杂构形的复杂流态,计算结果与美国导弹标模的实验吻合很好.一系列攻角下导弹三维流场的数值模拟表明,修正Jameson中心差分格式能够适用于复杂外形、复杂流态、亚/跨/超/高超音速的流场计算,而且精度和分辨率都比较高,结果可信.     

基于在线气动参数修正的预测制导方法

针对高超声速滑翔飞行器,提出了一种基于在线气动参数修正的预测制导方法.研究了再入过程中受到的各种飞行约束,给出了多约束下控制量设计的基本方案.分析了传统预测制导法在落点预测过程中存在的气动参数偏差影响,引入综合升力系数与综合阻力系数,并对其进行在线参数估计以及参数修正,以提高制导方法的适应性.基于气动参数修正方法,完成了纵向与横侧向制导律设计.设定较大的轴向力、法向力系数组合偏差对该方法进行了验证,并考虑再入初始条件和再入气动参数的不确定性,进行了蒙特卡洛仿真.结果表明:预测制导法中引入气动参数的在线估计与修正环节,可保证其制导精度,尤其对再入过程的气动扰动具有较强的适应能力.     

基于高阶奇异值分解的LPV鲁棒控制器设计

针对高超声速飞行器线性变参数（LPV）模型建模中准确度与复杂度之间的矛盾性,提出了一种基于网格化张量及高阶奇异值分解（HOSVD）的凸多胞LPV模型建模及控制方法。首先基于雅可比线性化给出了大包线网格化模型的张量描述形式,然后提出了一种基于HOSVD的多胞LPV模型生成算法,将网格化模型表述为有限个线性时不变（LTI）顶点及权重函数的组合,并基于舍弃的奇异值给出了建模误差的指标,最后结合某航天飞机再入段六自由度非线性模型进行了大包线鲁棒LPV控制器设计与仿真验证,结果表明该方法可获得计算复杂度低且保证建模精度的LPV模型,设计的鲁棒变增益控制器能够使系统快速跟踪姿态角指令信号,并能够保证系统的稳定性和鲁棒性。      

基于遗传算法的高速飞行器滑模控制律设计

以高超声速飞行器GHV(Generic Hypersonic Vehicle)的俯仰通道为控制对象,针对其6自由度非线性模型设计了滑模控制律.为了便于应用滑模控制理论,首先对该模型进行了输入输出反馈线性化,将原模型转换成为仿射型.设计好滑模控制律结构以后,基于遗传算法完成了滑模控制律参数设计.该过程利用了随机鲁棒思想,即在随机均匀分布的参数不确定性作用下,通过遗传算法优化滑模控制律参数,使得飞行控制系统失去稳定性和鲁棒性的概率达到最小.仿真表明,该方法可以同时满足飞行控制系统鲁棒性和参数优化过程收敛性的要求.     

BP-AdaBoost模型在光纤陀螺零偏温度补偿中的应用

针对光纤陀螺零偏漂移随温度呈复杂的非线性变化,建立了BP-AdaBoost（Back Propagation neural network,Adaptive Boosting）模型对零偏进行补偿,改善了光纤陀螺的零偏稳定性能.同时,研究了模型参数对预测精度的影响,给出了BP神经网络隐含层神经元个数的选择以及AdaBoost模型迭代次数的确定方法.运用AdaBoost算法提升单个BP神经网络的预测能力,提高了集成模型整体的预测精度.对采集的光纤陀螺输出实测数据进行了事后仿真,结果表明,BP-AdaBoost模型相比传统的线性回归模型、混合线性回归模型、单个BP神经网络模型的补偿效果更显著,验证了该模型的有效性,具有重大的工程应用参考价值.