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.      

非定常超音速侧滑机翼的升力、力矩系数及动导数的数值计算

 本文利用分布在机翼平面上的非定常超音速点源的特征线网格法给出非定常超音速侧滑机翼的数值解。本文给出侧滑机翼作沉浮、俯仰、滚转谐振时的振型以及计算升力、力矩和动导数（包括交叉导数）的计算方法。按本文用非定常理论数值解对典型的无侧滑机翼计算出的动导数与常用的按准定常理论解析公式计算结果进行比较和鉴定,结果表明本文方法是令人满意的。     

计算高亚声速情况下三维机翼动稳定性导数的面元法

本文应用我们提出的跨-亚音速三维谐振机翼的局部线化面元法,同时采用了与之配偶的亚临界定常流绕三维厚度机翼的面元法迭代解,对几种不同平面形状的机翼,进行了俯仰和滚转阻尼导数的计算和分析,并和现有的实验数据以及线化理论的计算结果进行了比较,从而表明,本方法可以得到满意的动导数计算结果;还表明,当接近临界马赫数时,动导数计算必须计及跨音速非线性效应。     

滚转和锥进运动对弹箭动导数求解的影响

现有的弹箭动稳定性导数计算通常忽略了耦合运动效应的影响,而弹箭在实际飞行中,通常同时存在俯仰、滚转以及锥进运动。为此,本文提出了基于欧拉转动定理和滑移网格技术的复杂角运动模拟方法,该方法利用著名的罗德里格斯转换矩阵插值求得弹箭在每个时间步的角速度修正值,并指定给球形滑移网格区,从而模拟弹箭俯仰滚转锥进相耦合的三自由度耦合角运动,在此基础上,通过对非定常气动参数进行求解辨识,分析了滚转频率和锥进频率对其俯仰组合动导数和升力系数动导数的影响规律。结果表明:本文提出的复杂角运动模拟方法,可有效消除姿态角计算的累积误差,实现对弹箭任意给定角运动的准确模拟;在耦合角运动状态下,弹箭气动力系数迟滞环发生明显的振荡和偏移,俯仰组合动导数和升力系数动导数均随滚转频率和锥进频率增加而显著变化,且变化规律具有非线性特性。     

基于CFD数值仿真技术的飞行器动导数计算

为了研究表征飞行器动态稳定特性的动导数,结合计算流体力学方法,基于滑移网格技术,采用小幅度强迫振动法和差分法两种非定常方法,推导了俯仰组合动导数以及滚转阻尼导数的计算表达式,并结合多参考系模型采用准定常方法计算滚转阻尼导数。建立了基于计算流体力学技术的飞行器动导数计算方法。对国际动导数标模Finner导弹进行了计算验证。两种非定常方法对俯仰组合动导数的计算误差分别为0.65%、6.13%,对滚转阻尼导数的计算误差分别为2.5%、0.06%。求解滚转阻尼的准定常方法对于滚转阻尼导数的计算误差为2.67%。三种方法的计算结果与风洞试验结果吻合的很好。非定常方法计算精度高,准定常方法可以快捷迅速得到结果。本文的数值方法不仅适用于超声速,同样可以用于亚、跨声速时的动导数计算。     

一种小型无人复合式升力飞艇的设计与验证

提出一种小型无人复合式升力飞艇的设计方案,艇身为采用设计对称翼型的升力体,横截面呈椭圆形,艇翼面可倾转至垂直状态或水平状态,能够满足起飞或平飞需要.通过数值分析确定整体气动布局、升力体艇囊的设计及机翼与浮升体气动设计优化.同时提出艇囊分割分块设计制作方法,解决吊舱、机翼与艇身的连接.通过FLUENT软件计算复合飞艇的气动特性,并与相同体积的传统飞艇的气动特性进行了比较.仿真结果表明:设计的复合飞艇飞行阻力小,升力性能优越,最大升阻比迎角为8°,失速迎角可达16°,制作的缩比模型验证了设计方案的可行性.     

基于阻力气动特性计算的飞艇艇身外形研究

采用SIMPLE算法、S-A湍流模型求解了三维不可压雷诺平均N-S方程,数值模拟了绕飞艇的低速不可压粘性流动,计算了不同艇身外形的阻力特性.本文方法计算结果与实验结果或其他文献的计算结果符合良好,可以用于飞艇的气动特性计算.通过对6个不同外形的相同体积飞艇阻力特性计算,得到了最佳艇身外形,表明本文方法可以用于艇身外形的选型设计.     

带栅格翼导弹超声速阶段滚转阻尼导数的数值研究

滚转阻尼导数是判断导弹动稳定性的重要气动参数。采用求解定常流场的方法,对超声速阶段平板翼翼身组合体和栅格翼翼身组合体的滚转特性进行数值模拟,并与平板翼翼身组合体的实验数据相比,符合较好。计算结果表明,栅格翼的滚转阻尼导数变化复杂,由于弹体背风面分离流和栅格翼翼面失速的影响,滚转阻尼导数随着攻角增加有两次明显转折;平板翼的滚转阻尼导数随着马赫数增加逐渐减小,而栅格翼的滚转阻尼导数随马赫数同样呈现两次转折,在Ma=3.5达到最大值。     

某型导弹动导数风洞试验和数值模拟

动导数的精确预测对于弹箭类武器的成功研制至关重要。以某型导弹动态特性的研究为对象,在FD06风洞中采用自由振动法完成动态特性试验,获取该型导弹俯仰和滚转两个方向的典型振幅衰减曲线和动导数结果;针对该型导弹,基于双时间推进法数值求解非定常N-S方程和强迫运动方程,获取该型导弹俯仰动导数和滚转动导数。结果表明:CFD计算结果与风洞试验结果有较好的一致性;在给定马赫数和攻角下CFD数值模拟结果可以为后续工程型号研制提供参考。     

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。     

平流层飞艇尾部形状对气动阻力的影响

为了研究平流层飞艇尾部动量边界层厚度与尾涡结构,应用LES(大涡模拟)方法计算了零攻角工况下飞艇绕流场,并对LOTTE和M-LOTTE两种飞艇进行了对比分析.采用Q分布和涡量描述回转体尾涡结构,根据Q分布可以确定M-LOTTE飞艇较LOTTE飞艇尾部分离区显著减小;并分析了回转体的轴对称曲面动量边界层厚度对飞艇气动阻力的影响,随着飞艇尾部厚度逐渐减小,动量边界层厚度逐渐增大,M-LOTTE飞艇尾部动量边界层厚度明显小于LOTTE飞艇.飞艇尾部动量边界层厚度分布说明了M-LOTTE飞艇的总阻力系数较LOTTE飞艇降低17.2%的原因,同时也表明飞艇尾部形状对飞艇气动阻力影响较大.      

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。     

民用飞机校验机动仿真研究

校验机动是民用飞机纵向俯仰机动中的一种,它是机翼、平尾等部件的载荷严重情况之一。对于校验机动的分析国内国际上的主流是采用机动仿真法。美国的FAR和欧洲的CS适航条款对校验机动有着不同的要求,FAR指定了俯仰角加速的要求,没有指定俯仰操纵器件的输入;而CS则指定了俯仰操纵器件的输入,对俯仰角加速度没有要求。以往国内校验机动一直以FAR条款为设计基础,对于CS条款的研究和分析不多,以欧洲CS条款为基础,对校验机动的仿真分析进行了研究。     

弹头尾翼不同布局的气动特性分析

为了分析不同尾翼对作用在弹头上的空气动力的差异,分析弹头的机动能力,利用理论分析、实验数据和仿真计算,进行了弹头尾翼十字型和叉型布局的气动特性研究。通过建立弹头气动参数模型、分析空气动力试验数据,及对静稳定裕度、舵面控制效率及气动耦合的讨论和仿真,得到了二者气动差异的相关结论。     

三角翼俯仰滚转耦合运动气动特性研究

介绍一套用于３ｍ 低速风洞的俯仰滚转两自由度大振幅非定常实验系统,并利用该系统对—三角翼单独俯仰和滚转及俯仰滚转耦合运动时的非定常气动特性进行了研究。结果表明,飞行器俯仰滚转耦合运动时的气动特性比单独俯仰和滚转时的气动特性复杂得多。     

基于CFD的带控制舵导弹的动导数计算

介绍了基于计算流体动力学(CFD)的阻尼导数预测方法以及其在复杂带控制舵导弹外形的俯仰/滚转阻尼导数预测中的应用.方法采用求解三维非定常ALE(arbitrary Lagrangian-Eulerian)形式RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)方程加湍流模型的方法得到模型强迫运动的气动力时间历程,再通过绕模型非定常运动过程得到的气动力迟滞曲线计算得到俯仰及滚转阻尼导数.为了验证采用数值方法的正确性,针对基本带翼导弹外形,采用强迫模型按正弦形式振动,计算得到了超声速范围内马赫数从1.5到2.5的俯仰及滚转稳定性参数,通过与风洞试验及弹道数据结果的比较发现,两者吻合较好.      

基于沉浸边界法的二维拍动翼数值模拟

运用沉浸边界法对二维拍动翼流场进行了数值模拟,系统地分析了最大俯仰角、拍动频率和升沉俯仰运动的相位差等参数对拍动翼流场的影响.结果显示:当达到一定条件时,尾流出现反卡门涡街,使机翼得到正的推力而产生逆流前行的趋势.在本文的研究范围内发现,拍动翼的平均推力系数随最大俯仰角的增大先增大后减小,随着频率的增大而增大,同时,拍动翼的推进效率随最大俯仰角的增大而增大,随拍动频率的增大而减小,且当升沉俯仰运动的相位差在90°～100°之间时,存在着最大推进效率.本文所得结果为进一步研究鸟类飞行和鱼游等仿生力学提供了理论基础.     

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。     

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。     

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。