高空飞艇的流固耦合数值研究

发展了一套用于研究高空飞艇在来流作用下的流固耦合数值方法.利用经过验证的自编制的有限元程序来求解飞艇的非线性大变形,利用商业软件FLUENT求解飞艇的外流场,通过非动态交替的方法实现飞艇的流固耦合计算.结果表明:飞艇的柔性变形改变了飞艇周围的流场结构,飞艇表面气动载荷分布发生了较大的改变;由于飞艇表面气动载荷的作用,导致了囊体内外压差的变化,进而导致囊体内的应力随之发生了较大的变化.     

柔性飞艇主气囊湿模态分析及试验研究

大型柔性飞艇是临近空间“长驻空”重要平台,具有重要的国防及民用价值,是近年来浮空器结构工程领域研究的热点之一。主气囊是柔性飞艇核心结构部件,为了研究大型柔性飞艇主气囊周边流场对其模态性能的影响,将柔性飞艇主气囊内、外气体视为不可压缩流体,将空气随囊体振动的影响作为附加质量添加到囊体结构中,采用基于势流理论的附加质量计算...     

充气囊体力学性能试验研究

针对充气囊体在较高气压下具有显著的非线性大变形特征、且囊体为柔性结构变形测量困难的问题,采用非接触式全场应变摄影测量系统,测试了充气囊体在不同充气压力作用下的变形特性,得到了充气囊体表面不同区域薄膜应力随囊体尺寸、充气压力变化规律,验证了充气囊体在载人条件下的承压安全性,并得到了不同尺寸充气囊体的压力容限。     

锥形降落伞开伞过程流动结构相互作用的数值模拟

根据多结点开伞模型建立了锥形降落伞系统的变形动力学方程组来对充气过程中的伞衣柔性体变形过程进行模拟.结合多结点模型动力学方程结算代码和计算流体力学软件,对降落伞的充气过程进行流固耦合动态仿真,从而得到充气过程中伞衣外形和流场的变化,以及充气时间、下降速度变化和下降距离等相关数据,与国外研究成果相吻合.      

任意运动变形边界流场测量PIV算法的研究：薄膜涡激振动

提出了一种精确测量任意运动变形边界流场的粒子图像速度场PIV算法,能智能识别强流固耦合问题流场测量中任意运动变形的边界信息,然后生成贴体自适应的图像互相关计算窗口,计算获取运动变形边界附近的速度场数据。这一算法可大大提高任意运动边界附近流场的测量精度,为流固耦合问题的理论分析和数值计算验证提供可靠的高质量实验数据。针对数字合成给定流场的粒子图像序列,采用所发展的PIV算法对粒子图像区域中的运动变形边界进行了精确识别,高质量地复现了原始流场信息。最后,对低速闭式循环水洞中的钝体尾流柔性薄膜涡激振动现象进行了PIV实验测量,获得了柔性薄膜大变形运动状态下的瞬态流场特征。     

基于充气结构的非常规飞艇设计

研究充气结构在飞艇设计、制造和操控方面的用途,提出一种由受压变硬的空心管组成的充气结构,其安装在飞艇囊体上,使得飞艇结构变得更坚固。这种设计创新可以降低结构质量,也可提高非常规飞艇的动力和机械性能。同时,由于这些充气结构的简易性,制造和操作过程中面临的难题将会大大减少。     

推力协同的大柔性飞行器纵向姿态控制

为了研究大柔性飞行器飞行/结构耦合动力学特性,提出了改进的面向控制的大柔性飞行器多体模型,开展了大柔性飞行器纵向动力学耦合特性分析与推力协同下纵向姿态控制律设计。采用二面角动态近似描述大柔性飞行器结构动力学特征,并推导了纵向耦合动力学模型。根据改进模型在配平点处的线性化模型,分析了飞行/结构耦合系统的纵向稳定性与结构变形量之间的关系。针对大柔性飞行器姿态稳定与跟踪,设计了纵向姿态控制器。与常规飞行器相比,大柔性飞行器飞行过程中会发生大变形,当载荷较大时,配平构型近似“U”形,此时纵向动力学具有长周期不稳定的特征。分析结果表明:大柔性飞行器各模态之间的耦合程度随着变形的增大而增大。此外,纵向姿态控制需要升降舵与推力协同控制速度和俯仰角并且考虑结构动力学的影响,否则飞行/结构的耦合作用会导致姿态跟踪误差衰减缓慢甚至发散。      

基于流固耦合的平流层飞艇超压-体积变化特性研究

为了更加准确反映平流层飞艇超压状态下的体积变化,基于LS-DYNA程序,运用流固耦合方法分析某飞艇超压-体积变化特性,研究弹性模量对于超压量、体积变化的影响。结果表明:飞艇内部气体超压将导致飞艇体积增大1%至4%,而飞艇体积的增大将减缓内部超压值增长的速度,超压量与体积变化呈线性关系,囊体弹性模量对飞艇体积变化有较大影响,呈非线性关系。研究结果可为平流层飞艇的结构设计和浮力控制提供一定理论支撑。     

基于浸润边界-格子波尔兹曼通量求解器的柔性结构流固耦合数值模拟

浸润边界-格子玻尔兹曼通量求解器(Immersed Boundary-Lattice Boltzmann Flux Solver,IB-LBFS)在处理复杂动态边界流动中具有计算精度高和灵活性强的特点,可应用于柔性体流固耦合数值模拟中。本文对IB-LBFS进行了算法效率上的优化改进,设计和实现了并行计算能力,使之可求解具有较大规模网格的流动问题,且通过旋转球体的绕流计算进行了验证。在此基础上,通过应用基于绝对节点坐标法的柔性结构动力学方法,与IB-LBFS结合,建立了可处理大变形柔性结构的流固耦合问题的数值模拟平台,通过旗帜摆动问题和固支板受流体载荷的弯曲变形问题验证并实现了大变形柔性结构的流固耦合高效仿真。     

多囊体临近空间飞艇多要素耦合建模与仿真

针对多囊体临近空间飞艇多要素耦合仿真及长航时能力评估的迫切需求，详细阐述了多囊体临近空间飞艇六自由度位置与姿态动力学模型、环境热力学模型、内外囊体热力学模型及囊体氦气损失模型，通过位置、时间、姿态、空速等动力学输出信息与压力成形体积、氦气质量等热力学输出信息实现平台力热动态耦合，能够全面反映飞艇在大气环境及操纵力作用下力热耦合变化规律，具备飞艇平台超热超压安全下的长航时定量评估能力。通过仿真发现，囊体内氦气在随风飘状态下最大超热达到55℃左右，为保证内外囊体白天压力安全需主动释放氦气导致飞行高度上升约100 m，夜晚囊体内压将至0 Pa无法维形保持浮力导致驻空高度快速降低，姿态振荡加剧，驻空航时仅有26.5 h，且动力全开无法获得稳定的航向飞行，空速来流降温无法最大效能发挥，需要控制系统接入实现动态闭环航路飞行，才能实现长航时飞行，具有重要的工程应用价值。     

耦合进排气壳的增压器涡轮流动干扰及激振力弱化研究

为探究船用增压器涡轮在耦合进排气壳条件下的流动特性,采用SST湍流模型和FFT方法对某增压器轴流涡轮与进排气壳耦合的流场进行非定常数值模拟,重点分析排气壳非对称流场对涡轮动叶片压力的干扰特性和扰动来源,在此基础上提出基于导叶非对称布局的激振力弱化改型方案并进行了验证。结果表明：进气壳影响静叶前缘静压沿周向的分布,排气壳流场导致的非对称背压会给动叶表面造成低频的压力波动,约为3.6%的转子通过频率,在尾缘吸力面处该低频波动幅值大于动静叶排干涉导致的高频波动幅值;排气壳内部复杂的分离流动和涡系结构是产生上述流动干扰的主要原因。4种非对称布局方案都能在几乎不影响涡轮性能的前提下分散并弱化高频波动幅值;其中Case2尾缘高频幅值减小了98.6%,低频幅值减小了52.6%,而且涡轮效率还有略微提高,为最优布局。     

CFD/CSD方法分析动力效应对民机气动特性影响

基于Reynolds average Navier-Stockes(RANS)的三维Navier-Stokes流场控制方程耦合结构静力学方程时域分析方法,研究了带有发动机的民用飞机其动力效应对全机气动性能的影响。首先采用数值方法对发动机进排气边界条件进行了模拟,分析了带动力的涡扇发动机模型的流场,并将计算结果与实验进行比较,验证边界条件处理的准确性;以此为基础,考虑结构弹性变形,采用计算流体动力学/计算结构动力学(CFD/CSD)耦合的方法,分别对通气和带动力的翼吊发动机全机的气动性能进行了研究。结果表明:基于通气构型预测的升阻力系数,气动载荷和压心位置与考虑动力效应后的计算结果存在明显不同。弹性变形又会加剧这一差异,使得全机的升阻比下降约12.6%,升力系数下降约8.9%,压心位置后移。数值算例显示,在靠近发动机区域气动载荷受动力效应影响显著,远离该区域,弹性变形效应占主要影响因素,因此在进行带动力效应的民机气动性能分析时,考虑弹性变形的影响是十分必要的。      

翼上螺旋桨构型耦合气动特性及翼型优化设计

针对半环形式翼上螺旋桨构型,研究了螺旋桨-机翼耦合流场特性,并以短距起降（STOL）状态最优升阻特性为目标对机翼翼型进行全局优化。首先,针对螺旋桨-气动面耦合构型,通过动量源法与真实桨叶模型CFD的计算对比,分析动量源法用于该构型设计分析的可行性。其次,为得到有利于桨-翼耦合特征的新翼型,建立了翼上螺旋桨构型自由型面变形（FFD）参数化模型,采用遗传算法对翼上螺旋桨构型机翼翼型进行全局寻优设计,分析了优化翼型参数及流场变化规律。最后,将优化翼型用于三维半环形机翼,分析其流场特性与二维计算结果的异同,验证二维翼型优化的有效性。结果表明：真实桨叶多重参考系（MRF）方法不能准确计算翼上螺旋桨构型下的流场结构,而动量源法计算结果与真实桨叶滑移网格非定常方法较为吻合;采用二维动量源CFD方法进行翼型的遗传算法优化是有效的,受半涵道的保护,二维优化翼型的优势在三维构型中得到了有效继承;翼上螺旋桨构型的翼型优化应当着重关注翼面曲率变化,在本文计算状态下,通过增加桨盘附近翼面曲率、保持附着流动来加强Coanda效应,有效实现了气动增升,优化后机翼升力提高了22.51%,显著减弱桨盘后高压区并产生二次吸力峰值,同时保持了机翼负阻力特性。     

固体火箭发动机内流场分区耦合数值计算

采用分区耦合方法计算固体火箭轴对称燃烧室与喷管流场。对于低速的燃烧室流场，选用不可压流的Ｎ－Ｓ方程描述并用ＳＩＭＰＬＥＣ方法数值求解；对于高Ｒｅ数的喷管流场，则采用Ｅｕ－ｌｅｒ方程描述并用ＳＣＭ方法求解。计算时用燃烧室出流为喷管流场提供入口参数，同时用喷管流场压强分布反馈影响燃烧室流动状况。对耦合边界条件处理方法进行了探讨。对典型的侧壁加质燃烧室与喷管流场进行了计算，计算结果揭示了单独喷管流场计算难以反映的喷管收敛段近壁区的低速区域，与已有的燃烧室流场实验结果一致并反映了燃烧室与喷管流场之间的联系，较好地模拟了流动中的物理现象。     

缝隙-腔体密封结构在高速气流冲击下的整体流动、传热特性分析

 根据高马赫数流场特征参数变化快、固态场特征参数变化慢的特性,编制开发了针对高速气流的"半解耦"显式流固耦合近似计算程序,并通过数值方法分析了该方法的计算误差,分析结果显示其能够较准确地模拟高速流场与固态场长时间非稳态耦合问题.在此基础上,运用"半解耦"流固耦合方法数值模拟了高速气流横掠缝隙-腔体典型密封结构的非稳态过程,并与相关实验测试数据进行了对比,验证了程序可靠性.随后,进一步分析了气流侵入密封结构的主要特性,总结了密封结构内、外流场中气流温度、压力和速度的分布特征以及其随时间的变化规律,研究了密封结构中加热板气动热流随时间的变化规律,探讨了密封结构中固体温度场分布特征及其随时间积累的变化规律等.最终,计算结果说明了密封体的结构布局对其内部热状况的决定性影响.     

固体火箭发动机塞式喷管两相流场与性能分析

为了解固体发动机塞式喷管中两相流场的特点和性能的情况,采用欧拉-拉格朗日两相方法对二维全长塞式喷管的两相流场进行了计算.将纯气相流场和两相流场进行了比较,结果表明由于颗粒相的存在使气流的比热比减小,使得低空环境中,塞锥表面的压强峰后移;高空环境中,塞锥表面的压强会升高.大直径颗粒的运动轨迹受外界反压和塞锥气流变化的影响小,小直径颗粒的运动轨迹受外界反压变化和塞锥气流变化的影响大;在两相流性能方面塞式喷管与钟型喷管类似,微粒直径较大的情况下,塞式喷管的效率较低;塞式喷管的效率随着颗粒含量的升高而降低.     

测压孔径对下沉安装压力传感器测量的影响

对于高超声速飞行试验,飞行器在飞行过程中产生的气动加热会使其表面安装的传感器烧坏并导致试验测量失败。传感器下沉安装可以避免其与飞行器周围的高温气体直接接触,减轻传感器的热载荷。采用下沉安装传感器的方式对高超声速边界层的脉动压力进行了试验测量,研究了测压孔径对脉动压力特性的影响。结果表明,随着孔径增大,脉动压力强度减小,流场相关性增强。传感器下沉安装会引起空腔流动,随着孔径的增大,空腔流动对脉动压力测量的影响降低。在频带10~20 kHz范围内,测压孔径仅仅影响脉动压力强度,在频带1~10 kHz范围内,测压孔径对脉动压力波形周期的影响更为显著。非线性耦合将能量由高频小尺度向低频大尺度传递,导致发生自相互作用和非线性相位耦合的流动结构趋向低频,随着孔径增大,非线性相位耦合消失。此外,孔径越大,不同尺度结构的能量分布与齐平安装的相似性越高。     

电动燃油泵驱动电机浸油冷却性能数值模拟

为了研究电动燃油泵驱动电机浸油冷却性能,基于冷却流体及电机各部件3维模型,充分考虑各部件发热功率以及材 料属性等物理量的影响,采用有限体积法对电机流-热耦合场进行模拟仿真,分析不同边界条件对电机流场和温度场的影响。结 果表明：在最大冷却燃油流量以及电机最高功率下,流道的压力损失和电机的最高温度均能满足电动燃油泵的运行要求;随着冷 却流量增加或燃油粘度的增大,流道的压力损失增大,且在最大冷却流量下,燃油粘度每增大1 mm 2 /s,压力损失增大约2 kPa;电 机功率和入口温度对电机各部件温度的影响较大,各部件温升与燃油进口温度近似呈线性关系,而环境温度对电机温度场影响较 小。研究结果为电动燃油泵电机浸油冷却流道的设计与优化提供了理论依据。     

高负荷低压风扇三维气动设计与损失分析

在给定的限制条件下,通过从S2反问题计算出发,依靠在粗、细网格上求解三维黏性Navier-Stokes(N-S)方程的设计方法完成了某高负荷、跨声速低压风扇的气动设计.该设计方法抛弃了准三元设计对损失模型的依赖,较快的实现了跨声速风扇的气动设计.在设计结果的基础上,对风扇流场结构的分析表明,动叶顶部激波,以及激波、泄漏流和附面层的相互作用是风扇损失的主要来源.全三维的弯扭叶片设计实现了静叶的高亚声大折转角扩压流动.      

低排放驻涡燃烧室冷态流场特性试验

利用粒子图像测速仪(PIV)对低排放驻涡燃烧室模型进行冷态流场测量,获得该燃烧室流场的变化规律和压力损失的变化情况.试验结果表明:低排放驻涡燃烧室涡系结构稳定,在主流后方的驻涡区存在主副双涡结构,联焰板后方的驻涡区存在单涡结构,两者之间特征截面呈现出双涡涡系逐渐向单涡涡系过渡,涡心位置也随截面的变换而变化.随着进口马赫数(0.15~0.30)的增大,主涡面积随之增加,副涡面积在进口马赫数为0.2时最大,而各特征截面上主副双涡及单涡的涡心位置基本不变.驻涡区涡系强度及其边缘的气流速度,以及主燃区的气流速度均随进口马赫数增大而提高.总压损失随进口马赫数(0.15~0.30)的增大而增加.