弹射座椅减速性能的数值仿真计算

减速性能是火箭弹射座椅的一个重要性能指标,而且一直不能得到很好的评估预测,只能根据地面弹射试验和经验粗略估计座椅的减速性能。采用数值仿真的方法,在获得弹射座椅的气动参数的基础上求解空间六自由度方程,得到了各气动参数以及座椅的减速性能。方法基于计算流体力学以及matlab的simulink仿真工具箱。最后数值仿真的结果与地面弹射试验的数据进行比较,其平均误差小于5%,说明数值计算的结果是比较准确的。数值仿真的方法在弹射座椅研究中的应用是完全可行的,有广泛的应用前景。     

脉冲爆震发动机外流场数值模拟及实验

通过实验和数值方法,对脉冲爆震发动机(Pulse Detonation Engine,PDE)外流场进行了可视化研究。实验中采用YA-16高速阴影系统,拍摄了爆震外流场的时序阴影照片。对高温火团引发的氢气-氧气-氮气爆震过程和管内、外流场分布进行轴对称数值模拟,其中考虑了包含19个基元反应和9种组份的H2-O2-N2详细化学反应动力学机理。根据计算结果,由计算光学获得爆震外流场的时序计算阴影图。数值计算结果和实验结果基本一致,均形象地描述了管外流场的变化。根据实验和数值计算结果,详细地讨论了涡环和悬吊激波产生的动力学机理及其发展变化过程。     

脉冲爆震发动机管外复杂波系的数值计算

为了研究脉冲爆震发动机外流场复杂波系的变化特点,用时空守恒元与求解元(CE/SE)方法对单爆震管和三爆震管脉冲爆震发动机外流场进行了计算。三个爆震管并排排列,管内填充按化学当量比混合的乙烯氧气混和物。通过计算,获得了脉冲爆震发动机外流场的压力分布、温度分布、激波与膨胀波的变化特点。计算结果表明该时空守恒元与求解元方法是一种较好的爆震波模拟方法,能有效地捕捉激波等强间断;三爆震管脉冲爆震发动机相对于单爆震管脉冲爆震发动机外流场复杂,存在多道相互作用、相互影响的激波和膨胀波。     

飞机／进气道系统内外流场计算

为了对飞机/进气道系统内外流场进行数值模拟,本文提出并研制了计算定常(或非定常)外压式飞机/进气道系统内外流场的计算方法和程序。它适用于任意几何外形的飞机/进气道在亚音速、跨音速或超音速来流条件下的内外流场和气动参数计算。求解的主管方程是在一般曲线坐标下的 Euler 方程、简化/雷诺平均的 Navier-Stokes方程。用隐式时间差分和近似因式分解方法离散和求解.针对飞机/进气道的复杂流场,本文采用了贴体网格生成技术和分区域方法.对于湍流流动,把 Baldwin-Lomax 湍流模型推广到飞机/进气道内外流场计算并使用了壁面律计算公式。应用上述方法对绕翼型的亚、跨音速、绕可压缩拐角的超音速湍流以及飞机进气道系统内外流场进行了计算,计算结果与实验数据和其它计算结果符合较好。     

结构隔绝内-外空间的流-热-固耦合仿真应用

为验证和指导高速飞行器的防隔热设计,准确地模拟气动热产生的热量穿透防隔热材料进而影响舱内温度空间分布和时间变化的过程,研究了一种同时求解机体外流场及气动热、机体结构传热及舱内流场温度场仿真计算方法,其中的传热方式包括热传导、热对流及热辐射。采用两套计算模型、两种求解器、一个数据交换文件的计算结构,构建了一种针对流场-热-结构的多场耦合分析方法,实现了对固体隔绝内外流场温度动态变化问题的仿真分析。最后通过计算实例验证了整套计算方法,得到的飞行器舱内温度变化特性能够用于指导高速飞行器的防隔热设计。     

某型直升机机身及进气道气动特性分析

本文通过对某型直升机机身/进气道内外流场耦合的数值模拟,介绍了CFD技术在直升机内、外流场的计算能力.分析了进气道形状对进气道出口压力畸变的影响.最后通过改进进气道的外形,气动性能指标有一定的改善.     

二维非对称喷管数值模拟与验证

采用Fluent软件针对二维非对称喷管进行数值模拟,考察了其中几种常用湍流模型及网格密度对模拟精度的影响,并将计算结果与NASA公布的实验数据进行比较,找出了精度较高、求解快捷的模拟方案,结果表明FLUENT软件可以应用于带高超声速外流的非对称超声速喷管内外流场的数值计算。      

短距起飞垂直着陆推力矢量无人飞行器减速过渡控制律设计

为实现短距起飞垂直着陆(STOVL)无人飞行器在推力矢量控制下的减速过渡,研究减速过渡阶段的控制律综合设计方法.首先通过分析STOVL无人飞行器减速过渡性能,对减速过渡推力矢量控制方案进行了评估;然后采用隐式动态逆方法设计导引律,为STOVL无人飞行器按预设任务减速过渡提供可达的控制指令;最后采用改进的特征结构配置方法进行内环控制律设计,跟踪导引指令并保持姿态稳定,伴随动压降低加入姿态喷管控制,辅助气动舵面稳定姿态.由全量六自由度飞行仿真结果表明:当减速过渡速度低于最小平飞速度以后,STOVL无人飞行器依然保持良好的航迹跟踪和姿态稳定.该方法完全采用直接配置法,有利于随控布局总体方案的快速评估.      

超燃冲压发动机内外流场三维燃烧数值模拟

以某型煤油燃料超燃冲压发动机整机模型为研究对象,对发动机外流场的流动与发动机内的流动燃烧过程开展了耦合三维数值模拟研究.燃烧室壁面静压计算结果与实验数据吻合良好,平均相对误差为4.9%,验证了数值方法的有效性.结果表明:内流场的流动燃烧状况既受到外流场捕获空气流量的限制,又会反过来影响着外流场的激波结构;泄压孔对保持发动机中各部件流量匹配起到关键作用;由于进气道内激波与边界层的相互作用以及泄压孔诱发的斜激波的影响,流场在第1处燃油喷射孔附近呈现出燃烧流场不对称特征.      

基于Star-CCM+二次开发的飞机外流场数值模拟

为了在飞机气动外形设计中获得较为理想的气动性能,必须经过多次的几何建模、模型优化、网格划分、CFD流场数值模拟以及数据采集与分析等过程,其过程耗时耗力且易出错。以DLR-F6翼身组合体为例,基于Star-CCM+软件对飞机外流场数值模拟流程进行二次开发,并给出了部分功能的关键代码。二次开发程序包括以下主要功能:模型导入以及几何处理、网格划分、物理模型选择、边界条件设置、监测点以及监测面设置、计算参数设置以及计算结果查看等等。研究结果表明,使用Star-CCM+二次开发的方法可使飞机外流场的数值模拟按照规范而简单的流程进行,实现一键设置,提高飞机外流场数值模拟的工作效率,保证计算精度以及迭代计算结果的一致性,避免了模拟过程中的遗漏或错误。     

多重网格加速的LUSGS算法用于喷管流场数值模拟

采用有限体积法,二阶精度插值的Roe格式对三维流场N-S方程进行空间离散;采用LUSGS隐式时间推进法和多重网格技术加快计算收敛速度;采用独特的显式算法克服了两方程湍流模型刚性对流场计算收敛速度的影响,并给出了该方法的理论依据。通过轴对称喷管内流场、二元喷管内外流场的数值模拟验证了采用以上方法在计算效率上的提高。最后将RNG模型计算结果与SA模型计算结果及实验数据做对比分析。     

空天飞行器整体式救生座舱的稳定减速与分离特性数值模拟

整体式密闭救生座舱方案将座椅与驾驶舱进行整体设计，弹射后具有独立的气动型面，在包含亚声速、跨声速、超声速甚至高超声速等非常宽广的速度范围可以更好地保护飞行员免受高速气流的吹袭，是空天飞行器救生系统设计的重要途径之一。针对整体式救生座舱，首先开展基本静态气动性能数值模拟评估；之后采用一种刚性减速伞增稳方案（整体式座舱+减速伞）对其稳定性和减速效率进行改进；最后采用动态重叠网格方法，对整体式座舱+减速伞构型的近机弹射轨迹特性开展动态数值模拟计算，从而获得该构型在抛投过程中的稳定性和安全性。研究结果表明，单独整体式救生座舱难以具备静稳定性；减速伞方案可大幅改善座舱的稳定性能，使座舱在Ma=0.3~4.0范围内均具有静、动态稳定性，并呈现亚声速时随马赫数升高而增强、超声速时随马赫数升高而减弱的变化规律，且高马赫数（Ma=4.0）工况可通过降低飞行高度以增加动压的方式进一步提升座舱的动稳定性；在宽速域范围内，整体式座舱+减速伞构型经过弹射力和火箭推力的辅助作用，能够实现与机体的安全分离，并且分离后其俯仰振荡姿态均具有收敛特性。     

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。     

进气道跨音速轴对称流的计算

最近几年,用混合差分法计算跨音速流场取得了很大进展,对飞行器外部绕流,成功的算例较多。但是对进气道内外流场的算例,发表较少,来流马赫数大于1算例更少。和外部绕流相比,进气道内外流场的相互影响使计算不易收敛。     

脉冲爆轰发动机第一和第二次循环的数值模拟

对脉冲爆轰发动机两次循环工作过程进行轴对称数值模拟,考虑了包含19个基元反应和9种组份的H2-O2-N2详细化学反应动力学机理,通过改进的ISAT方法(动态自适应建表)减少反应化学的计算时间.数值结果显示了脉冲爆轰发动机充气,起爆,卸压和再充气的循环工作过程.根据数值计算结果,详细地讨论了两次循环管内、外流场的结构间的差异.两次循环中管内、外流场结构的差异又导致二者推力和冲量的不同.     

基于DES方法的轮胎部件外流场数值模拟研究

采用基于S-A湍流模型的脱体涡(DES)方法,数值模拟研究了三维轮胎部件外流场。通过非定常计算,将所得结果与相关文献对比分析。结果显示,该方法能够准确地模拟轮胎的非定常特性,后轮处能够很好地捕捉马蹄涡,其范围与文献接近,且起轮胎压力系数图能够和文献基本相似。     

短距起飞/垂直降落飞机外流场特性研究

为探索和研究短距起飞/垂直降落(STOVL)飞机,在垂直降落状态时的外流场特性和热燃气再吸入等飞推一体化关键问题,对STOVL飞机F-35B进行了飞机机身重构和网格划分,利用Fluent软件完成了F-35B外流场的三维数值模拟。研究了垂直降落状态下飞机不同离地高度和不同喷管面积下的热燃气再吸入问题。同时,给出了进气道入口截面、地面和机身的温度分布,直观说明了其升力系统方案的外流场技术特点。结果表明:为防止热燃气再吸入,应合理选择升力风扇喷口与主发动机喷口的面积相对值,并结合实际所需升力比,尽量减小两个喷口的面积比。     

二维网格生成技术及应用

论述了采用求解偏微分方法与代数方法相结合,生成二维网格的技术及其在内流场和外流场中的应用.这种方法便于计算程序的编制,具有较好的通用性.     

弹射救生数值仿真及不利姿态下救生性能分析

 国内弹射座椅救生性能预测分析主要依赖地面弹射试验。由于国内相关试验设备的缺乏,不利姿态下弹射座椅的救生性能很难通过试验获得,因此国内不利姿态下弹射座椅救生性能的分析研究比较薄弱。采用数值仿真的方法对弹射座椅的救生性能进行预测和分析,针对弹射座椅弹射过程的4个阶段分别建立了数学模型,其中自由飞阶段采用四元数法代替欧拉速率方程,以解决传统的六自由度方程出现的奇异性问题。采用四阶龙格-库塔法对数学模型进行求解,计算结果与地面弹射试验结果吻合较好。在此基础上,对某新型弹射座椅的弹射姿态轨迹进行计算,分析研究了弹射座椅在不利姿态下的救生性能,得到不利姿态下弹射座椅救生性能不佳的主要原因是座椅高速稳定性差以及飞机向下的牵连速度和飞机滚转角的影响,并根据分析结果提出了改善弹射座椅不利姿态下救生性能的基本方法。     

基于RANS方法的民用飞机网格分析

基于RANS方程分别对代表民机巡航的DLR—F6模型和增升的NASATRAPWING模型进行多块结构化网格生成技术研究,通过网格拓扑、分布、质量参数等多项研究,得到影响民机外流场粘性计算需要的网格生成因子,形成一套适用高精度阻力预测的民机CFD网格生成指南。同时,为验证网格设计方法的可靠性及准确性,分析了不同网格生成准则对于CFD计算模拟精准度的影响,为民机计算策略研究及气动力设计提供了参考依据,具有重要的工程实用价值。