高超声速半球绕流流场电磁散射特性分析

分析再入流场对飞行器再入通信及空间散射特性的影响,研究电磁波与再入等离子体作用机理.采用分段线性电流密度递归卷积时域有限差分方法计算导电金属半球高超声速绕流流场电磁散射特性,分析半球等离子体包覆绕流流场雷达散射截面(RCS)随入射电磁波频率、双站角、飞行马赫数和高度变化特性.计算表明,前向是全方位散射中RCS取得最大值的方向.马赫数Ma≤10时,马赫数及高度变化对半球高超声速绕流流场L,S波段后向RCS和双站RCS影响很小;在L,S波段,绕流流场及半球本体的后向和前向RCS差距较小.马赫数Ma=14,16时,过密等离子体鞘套的形成增大了本体投影面积,在L,S波段,绕流流场前向RCS比本体前向RCS大;绕流流场存在对半球本体双站散射特性影响很大.      

钝头飞行器大攻角绕流流场计算

本文用有限差分法求解Ｎ－Ｓ方程，对具有大面积底部飞行器的高超声速大攻角绕流流场进行了计算，通过积分物面压力给出了飞行器的气动力特性，并研究了攻角的影响，物面压力系数和气动力系数与实验数据进行了比较，符合较好，结果可应用到返回舱和弹头的再入气动特性研究。     

弹用“X”,型倒置二元进气道方案与常规正置方案的气动性能对比

为提高来流马赫数范围为2~4的“X”型进气系统大攻角下的稳定裕度,设计并研究了一种倒置二元进气道设计方案,并将其与正置方案进行了比较。结果表明:来流马赫数为2.3~3.5，攻角范围为0°~6°时，倒置布局设计方案总体性能较优,未出现明显激波/附面层干扰问题,能够满足设计要求。在采用相同的进气道设计方案时,倒置布局其迎风与背风进气道结尾激波位置及总体性能参数差异更小；0°攻角时倒置布局临界总压恢复系数与正置布局相当,4°攻角时倒置布局比正置布局高2%~3%,8°攻角时普遍高19%以上,且来流马赫数越高提升幅度越明显,8°攻角下倒置布局总流量系数较正置布局高6%左右。研究还发现,当来流马赫数较低时倒置布局总阻力低于正置布局, 4°攻角时低1.7%；而来流马赫数较高时倒置布局总阻力高于正置布局,4°攻角时高2.0%。      

三维进气道湍流流场数值模拟

结合实验数据,采用有限容积法,对超音速S形进气道三维湍流流场进行了数值模拟,分析了0°攻角、10°攻角、10°侧滑角三种工况下机头激波对入口气流的影响、进气道入口激波分布和进气道出口压力分布情况.计算结果表明:0°攻角和10°攻角时,机头激波对入口气流影响不大,出口气流总压分布相对均匀,且高压区面积较大;而10°侧滑角时,受机头激波的影响,进气道前方出现小范围的低压区,且出口气流低压区较大.     

攻角与马赫数对进气道起动影响的可比拟性

针对高速风洞变来流马赫数的能力有限,不易获得高超声速进气道起动马赫数界限的问题,本文尝试通过改变进气道模型攻角的方法来模拟来流马赫数的变化,分析定来流马赫数变攻角与定攻角变来流马赫数两种途径下二元进气道起动性能之间的关系,以助于风洞实验获得进气道的起动马赫数界限。结果表明,在Ma∞=5.9来流条件下,进气道不起动和自起动的临界攻角分别在12°~13°和0°~1°。定来流马赫数变攻角与定攻角变来流马赫数两种途径下,进气道不起动和自起动临界所对应的内收缩段入口马赫数基本一致。对于同一内收缩段入口马赫数,当变攻角跨度小于4°时,两种路径下进气道的内部流场与壁面压力分布规律符合较好;当变攻角跨度较大时,两者的差别也增大。对于二元高超声速进气道模型,当常规风洞的来流马赫数在进气道起动边界附近时,在一定的攻角范围内,可以尝试通过攻角机构连续改变模型安装攻角的办法来模拟变马赫数引起的进气道起动特性的演变过程。     

亚声速扩压平面叶栅尾迹动态压力场测量与分析

为研究叶片在不同攻角下引起的气流分离对叶栅出口气流紊流度的影响,借助动态压力测量设备和测试技术,完成了某扩压平面叶栅在进口马赫数为0.677,攻角分别为0°、-10°和+8°三种典型工况下,尾迹非定常流动的测量。通过测量尾迹区域沿栅距方向和轴向的尾迹动态压力,并对动态压力数据进行时域分析,得到叶栅尾迹非定常流动的时均总压和压力脉动云图,揭示出尾迹区流动过程,同时还与叶栅的气动性能和气流稳定性进行了关联。     

基于PSP技术的压气机跨声叶栅表面压力场测量

为测量压气机跨声叶栅表面压力场,选择美国ISSI公司的Binary FIB PSP(压敏涂料),并根据涂料和跨声叶栅合理搭配相机和光源系统,对涂料进行标定。设计了两种不同的光路布局和拍照方案,获取了吸力面与压力面在多个攻角和马赫数下的试验数据。结果表明:对于压气机叶栅试验,打光和相机采取侧向布局效果更好。在0°攻角下,吸力面的吸力峰靠近前缘;随着攻角的变大,吸力面气流在靠近前缘很短距离完成加速和静压下降过程,然后沿弦长方向开始减速,压力面气流在叶片前缘附近很短距离内完成减速增压过程。当马赫数达到0.8时,叶栅通道出现了激波;随着进口马赫数的提高,叶片吸力面和压力面表面的静压值变小。     

二元高超声速进气道动态攻角特性风洞实验

为了研究攻角导致的来流定常/非定常变化对二元高超声速进气道性能的影响,在马赫3.85条件下,对一个设计马赫数为6.0的二元高超声速进气道进行了动态攻角变化的风洞实验。实验中,攻角在0°～8.2°连续变化,动态频率最大达到9.3Hz。实验研究表明:攻角在0°～8.2°连续变化过程中,进气道始终保持着起动状态;攻角增加使进气道出口增压比逐渐上升,流量系数、出口总压恢复系数和出口马赫数逐渐降低;在保持起动状态的攻角连续变化过程中,振荡的二元高超声速进气道其性能变化趋势与准稳态时相似,攻角的动态变化未对进气道性能产生显著影响。     

前机身/进气道攻角特性的数值与试验研究

为研究前机身/进气道内外流场的攻角特性,对其一体化模型进行综合求解。将数值计算结果与试验数据进行对比以验证数值方法。分析了不同攻角下前机身对进气道入口气流的影响以及进气道内部流动情况,同时分析了攻角对进气道总压恢复系数和出口总压畸变指数的影响。结果表明:进气道位于机身下侧的布局能在大攻角下降低进气道入口的迎角和马赫数,有效提高飞行极限;在超声来流下,进气道在很宽泛的攻角范围内总压恢复系数都能达到0.94左右,在9°到18°攻角范围内具有较低水平的总压畸变,在此攻角范围之外,总压畸变对攻角的变化很敏感。     

侧压式进气道动态攻角特性的风洞实验

为了研究攻角导致的来流条件非定常变化对高超声速进气道性能的影响,以一个设计马赫数为6的侧压式进气道为研究对象,结合数值模拟的方法,在马赫数为3.85条件下进行了攻角动态变化的风洞实验,攻角变化范围为0°~8.2°,最大频率达到10.4Hz.研究结果表明:工作在大攻角时,侧压式进气道出现不起动现象,流场特征出现很大变化;攻角动态变化时,进气道重复出现起动-不起动-再起动现象,由于受到壁面运动的影响,壁面点压力随攻角的变化曲线出现一定的迟滞现象,这在不起动时尤为明显;当进气道攻角动态频率增加时,进气道不起动时的攻角逐渐增加,而再起动时的攻角逐渐减小.      

Full-scale crash test and FEM simulation of a crashworthy helicopter seat

Crashworthy seat structure with considerable energy absorption capacity is a key component for aircraft to improve its crashworthiness and occupant survivability in emergencies.According to Federal Aviation Administration(FAA) regulations,seat performance must be certified by dynamic crash test which is quite expensive and time-consuming.For this reason,numerical simulation is a more efficient and economical approach to provide the possibility to assess seat performances and predict occupant responses.A numerical simulation of the crashworthy seat structure was presented and the results were also compared with the full-scale crash test data.In the numerical simulation,a full-scale three-dimensional finite element model of the seat/occupant structure was developed using a nonlinear and explicit dynamic finite element code LS-DYNA3D.Emphasis of the numerical simulation was on predicting the dynamic response of seat/occupant system,including the occupant motion which may lead to injuries,the occupant acceleration-time histories,and the energy absorbing behavior of the energy absorbers.The agreement between the simulation and the physical test suggestes that the developed numerical simulation can be a feasible substitute for the dynamic crash test.      

带稳定板装置弹射座椅偏航稳定性能研究

针对国内弹射救生领域现状,设计了一种适合于国内某型座椅的弹射救生系统稳定板。运用计算流体力学(CFD)数值计算方法,对改装稳定板前后的人椅系统进行了高速流场下的静态和动态特性分析,并与风洞试验结果进行对比,两者吻合较好。改装稳定板前后的数值计算对比表明:在不对俯仰和滚转性能产生不利影响的情况下,稳定板的改装对人椅系统的偏航性能有比较明显的改善。六自由度动态计算比较真实地模拟了弹射出舱的过程,也进一步验证了稳定板对改善偏航稳定性能所起到的作用。数值计算完全可以应用于弹射座椅的气动研究,同时稳定板的设计对工程上的应用具有一定的参考价值。     

运输类飞机旅客座椅动态冲击仿真方法研究

介绍了使用瞬态有限元软件与经SAE 1999-01-1609修正的Hybrid III ATD(Anthropomorphic Test Dummy)模型的组合进行运输类飞机旅客座椅动态冲击仿真分析的方法,重点描述仿真模型的评估原则和仿真分析过程中的关键要素和审定判据,运用计算机模型来精确预测物理试验的结果,将目前最佳的实践方法展现给工程分析人员以达到节省研发与取证成本的目的。     

直-9系列直升机机械师座椅研究

通过对直-9系列直升机机械师座椅使用现状的调研,提出了新型机械师座椅的改造方案,使新型机械师座椅具备抗坠毁性能,并能满足乘员使用舒适性要求,从而保护乘员的人身安全,保障作战训练任务的圆满完成.     

AUSM+方法在 粘性内流模拟中的应用

本文阐述了三维RANS方程求解程序中使用的AUSM+离散方法以及Spalart-Allmaras湍流模型，然后对两个算例—Sajben收缩扩散通道内跨声速流动和NASA TP-3252文献中给出的透平静叶排内部流动，进行了数值模拟，并把数值结果与实验结果进行了比较，说明三维RANS方程求解程序可以准确模拟复杂的内部流场。     

战斗机飞行姿态对最低安全救生高度影响的仿真研究

战斗机飞行员在飞机出现危险情况时采用火箭弹射座椅作为救生装备的主要形式,在低空不利姿态下弹射时,往往需要一定的最低安全高度来保证弹射救生的成功率,在座椅性能确定的情况下,最低安全救生高度取决于弹射时飞机的飞行姿态。为此,根据火箭弹射座椅的工作原理,针对弹射过程的不同阶段,建立相应的数学模型,用仿真计算的手段来研究不同飞行姿态对最低安全救生高度的影响,以期为飞行员如何选择正确的弹射时机提供一定的理论支撑。     

风力机远尾流的计算研究

基于工程上广泛使用的Park模型构造了一种新的远场尾流计算模型,同时又提出了一种CFD与制动盘理论相结合的方法对单个风力机远尾迹区的流动状况进行了数值模拟.新的尾流计算模型是由一维Park模型进行三角函数修正得到的,CFD方法是结合制动盘理论使用FLUENT提供的Fan边界数值求解整个尾流流场.给出了单台风力机尾流中风轮中心的轴向速度分布以及风力机下游不同位置处的径向速度分布,并与风洞实验结果以及Park模型的计算结果进行分析对比,表明本文的两种计算方法都能够较好地捕捉尾流的流场特性.由于新的远场尾流计算模型较之原Park模型能够更准确地反映径向尾流分布,且计算量非常小,因此可作为工程开发的有效工具.制动盘理论结合CFD的方法也能够在计算量相对较小的情况下,准确的反映远尾流的流场信息,这两种方法都可为风场微观选址和风力机排布提供参考依据.     

弹射救生过程数值计算及损伤风险评估

针对从弹射程序启动到飞行员着陆之间的各个阶段,建立了能够对横滚、俯冲等复杂弹射条件进行计算的数学模型。结合某型座椅的具体参数与气动力数据,针对具体算例求解了弹射救生过程,与实验结果进行了对比。根据模型的计算结果,以动态响应指数(DRI)对不同弹射初速下的损伤风险做出评估,并指出了在不同速度下气动过载的影响。     

某四级风扇特性计算的三维数值模拟

利用自主开发的程序对某四级风扇进行了特性计算,一方面是为了发动机整机的匹配,另一方面是为了校核程序对多级压气机的数值模拟精度.程序采用标准k-ε湍流模型计算湍流黏性系数,为了避免计算过程中由湍流模型方程带来的数值刚性问题,对湍流模型方程中的源项作了隐式处理.转静子之间的数据传递采用了掺混界面法.通过对一个单级风扇进行计算,并与常用的几种商用软件计算结果以及实验结果进行对比,初步验证了程序计算结果的可靠性.进一步对某四级风扇进行了计算分析,发现程序计算精度较好,可用于工程设计中.      

A new landing impact attenuation seat in manned spacecraft biologically-inspired by felids

When manned spacecraft comes back to the earth, it relies on the impact attenuation seat to protect astronauts from injuries during landing phase. Hence, the seat needs to transfer impact load, as small as possible, to the crew. However, there is little room left for traditional seat to improve further. Herein, a new seat system biologically-inspired by felids’ landing is proposed.Firstly, a series of experiments was carried out on cats and tigers, in which they were trained to jump down voluntarily from different heights. Based on the ground reaction forces combined with kinematics, the experiment indicated that felids’ landing after self-initial jump was a multi-step impact attenuation process and the new seat was inspired by this. Then the construction and work process of new seat were redesigned to realize the multi-step impact attenuation. The dynamic response of traditional and new seat is analyzed under the identical conditions and the results show that the new concept seat can significantly weaken the occupant overload in two directions compared with that of traditional seat. As a consequence, the risk of injury evaluated for spinal and head is also lowered, meaning a higher level of protection which is especially beneficial to the debilitated astronaut.