超/高超声速飞行器动态稳定性导数极快速预测方法

飞行器设计早期阶段需要预测大量工况下的动导数。本文发展了一种面向超/高超声速飞行器的动导数极快速预测方法：首先基于当地流活塞理论，将飞行器进行小幅非定常运动所受到的气动力分为受自由来流引起的无附加扰动项以及受物面变形或运动引起的附加扰动项；通过当地表面斜度法、激波后等熵关系求解物面当地流动参数，进而结合非定常运动规律求出飞行器所受非定常气动力；再采用待定系数法对非定常气动力进行提取、辨识，最终得到超/高超声速飞行器动导数。该方法克服了传统方法对CFD流场参数的依赖和耦合，具有极高的计算效率；同时典型算例验证表明，该方法在超声速、高超声速工况下都能够很好预测动导数变化趋势。将该方法应用于复杂外形飞行器动导数预测，并讨论了与CFD方法的误差来源。本文方法可作为高速飞行器总体设计阶段布局选型的工具。     

超音速、高超音速飞行器动导数的高效计算方法

将超音速、高超音速气动力工程计算方法综合起来,推广到非定常气动力的计算,并用于求解任意外形飞行器作强迫运动时的非定常气动力.在此基础上进一步发展了一种适合于超音速、高超音速大迎角状态的飞行器动导数计算方法和程序.计算结果与国际标准实验数据作了比较,证明了该程序的正确性和精度.研究了减缩频率和基本迎角对动导数的影响,结果表明基本迎角对动稳定性导数影响较大,而减缩频率在小迎角范围内对动导数影响很小.     

飞行器动态稳定性参数计算方法研究进展

动态稳定性参数（简称动导数）是飞行器控制系统设计、飞行器动不稳定发生边界分析及相应动态稳定性判据研究的关键气动参数。在对飞行稳定性问题进行概述的基础上,介绍飞行器动态稳定性参数数值模拟的国内外研究进展。并按照理论方法、工程近似方法及计算流体力学（CFD）模拟方法的动导数发展方向对近年来主要的动导数计算方法进行了综述,评价了各种动导数预测方法的优缺点,指出了动导数数值模拟在理论基础、非定常气动力建模、预测方法精度和效率等方面存在的问题。最后对动导数数值模拟的发展趋势进行了展望。     

考虑地面效应的翼型动态特性数值模拟

为了研究考虑地面干扰的飞行器非定常气动特性,基于滑移网格技术,通过求解二维非定常Euler方程,对不同近地高度下的NACA0012翼型的动态振动特性进行了数值模拟。分析了存在地面干扰时的升力系数以及俯仰力矩系数迟滞环变化,并结合强迫振动法,计算了翼型各个近地高度下的纵向组合动导数。结果表明,地面效应不仅对定常流场产生影响,更显著地影响了非定常气动力及力矩,近地高度越小,这种效应越明显,使得升力系数的迟滞环面积变小,幅值减小,而俯仰力矩系数的迟滞环变化不规律,力矩系数的动导数随着近地高度减小而增大(绝对值减小),纵向的动态稳定性产生损失。地面效应干扰在飞行器非定常气动研究中应该引起重视。     

超音速、高超音速有攻角的三维薄翼非定常二次理论及其应用

 动导数对于飞行器的动态品质分析和控制系统的设计是必不可少的参数,它直接影响飞行器的动态特性。因此,国外自七十年代以来,无论在风洞实验、飞行试验,还是分析、计算等方面都作了很多工作,取得了较大的进展。 动导数计算说到底主要是非定常气动力计算问题,已有的线化理论不能满足需要,对考虑非线性效应的动导数计算方法的需求则日显迫切。二次理论是计算非线性效应的一种方法,它是由第二次叠代或物面偏角参数的二次展开法构成,主要非线性效应由二次方程算出。     

基于CFD的动导数计算与减缩频率影响分析

以CFD流场与气动力计算为基础,分别利用小幅度强迫振动模式和差分两种方法推导了飞行器的纵向组合动导数计算表达式;建立了基于CFD技术的飞行器动导数计算方法;以国际标模Finner导弹为例,利用所推导的两种方法进行该导弹的动导数计算,重点分析了减缩频率对动导数计算的影响,提出了利用CFD方法开展动导数计算时减缩频率的选择...     

基于阶跃响应的飞行器单独静、动导数数值求解方法

基于阶跃响应方法,结合刚性动网格技术,对飞行器的单独静、动导数的精细化数值计算进行了研究.以纵向为例,通过给物面施加恒定附加攻角,求解得到阶跃响应运动过程的非定常气动力,求导得到静导数.同样给物面施加恒定的俯仰角速度,并同时强迫物面平动以抵消俯仰转动产生的附加攻角影响,可由非定常气动力求导得到动导数值.分别利用NACA0012翼型和三维SACCON飞翼无人机进行了计算验证,各攻角下的静、动导数值与文献、试验结果吻合得很好,最大误差不超过5%.结论表明:基于阶跃响应的单独静、动导数直接模拟方法计算耗时仅为传统强迫振动方法的21%,效率相对较高,且可推广到横航向的动导数计算,为飞行器的稳定性研究提供参考.      

翼型纵向俯仰非定常气动力研究

飞行器飞行时受到的非定常气动力是飞行器设计以及机动飞行中须考虑的一个重要因素。采用CFD方法数值模拟了NACA0012翼型在马赫数从0.2~5.0范围变化时做强迫振荡的非定常流场。通过积分法计算了在不同马赫数时翼型的俯仰动导数。计算结果表明,迟滞效应随马赫数的增大先增大后减小,在跨声速区域迟滞效应达到最大;迟滞环的绕向在跨声速区域为顺时针方向;迟滞环顺时针绕向时,动导数大于零,模型动不稳定,逆时针绕向时,动导数小于零,模型动稳定;旋转角速度越大,翼型表面非定常气动效应越明显。     

类乘波体飞行器的气动力工程计算

为估算高超声速类乘波体飞行器的纵向气动力,以三角形面元逼近飞行器外形,根据飞行器迎/背风面情况分别采用达黑姆-巴克法、普朗特-迈耶耳法、切锥法和膨胀波方法计算无粘气动力;通过经验公式估算粘性阻力,并考虑飞行器主要部件之间的气动干扰情况,计算了翼片之间、翼身之间的气动干扰因子,得到整个飞行器的气动力。为验证该方法,以某飞行器为例进行了计算,计算结果与CFD吻合。     

带控制舵飞行器机动特性研究

研究带控制舵双锥外形再入飞行器的机动特性。文章首先利用“部件叠加法”,通过对干扰因子和等效攻角等概念的引入,发展了一套可以计算该类飞行器纵横向气动力的工程计算方法。其次,文章通过大量计算,分析研究了该类飞行器的配平特性。最后,利用气动力与六自由度弹道耦合方法,研究分析了此类飞行器实现射面拉起/下压机动飞行及空间锥形机动的舵面控制规律。     

基于非定常面元/黏性涡粒子混合法的旋翼/平尾非定常气动干扰

旋翼/平尾非定常气动干扰是导致直升机纵向“抬头（Pitch-up）”现象的主要原因。为在直升机设计阶段准确分析旋翼/平尾非定常气动干扰以及由此引起的低速纵向操纵特性变化,通过涡量等效原则和Neumann物面边界条件建立了适用于旋翼/平尾气动干扰分析的非定常面元/黏性涡粒子混合法。该方法耦合了考虑尾迹时变效应的非定常面元法、黏性涡粒子法及涡量镜面法,以准确模拟旋翼和平尾的非定常气动载荷、旋翼尾迹的非定常特性以及旋翼尾迹对平尾的气动干扰效应。首先通过计算NASA ROBIN（Rotor Body Interaction）旋翼尾迹几何和诱导速度分布,并与实验测量值、时间精确自由尾迹及CFD计算结果对比验证方法的准确性。相比于时间精确自由尾迹,本文方法计算精度更高。随后分析了旋翼/平尾非定常气动干扰对平尾向下气动载荷和气动导数的影响,并分析了平尾构型对旋翼/平尾非定常气动干扰的影响规律。分析表明：旋翼尾迹与平尾干扰导致低速状态的平尾载荷突增,气动导数反号;低平尾气动载荷突增较大,高平尾较小,但高速气动导数反号;前置平尾载荷突增量减小,但对应速度范围较宽;右旋直升机右平尾载荷突增量较小,但气动导数特性基本不变。     

直升机旋翼对尾桨非定常气动载荷的影响

悬停和侧滑状态的直升机主旋翼桨尖涡将穿透尾桨桨尖平面,由此导致尾桨非定常气动载荷发生明显变化。为更准确地模拟由主旋翼/尾桨干扰产生的尾桨非定常气动载荷变化,通过在面元压力项中增加由旋翼桨尖涡诱导的时变项,体现旋翼桨尖涡速度和几何时变对桨叶非定常压力的影响,同时采用涡面镜像法修正涡粒子法的黏性项,确保桨叶附近区域旋翼涡量守恒,建立旋翼尾迹对尾桨叶的非定常气动干扰模型,并耦合面元/黏性涡粒子法,构建直升机主旋翼/尾桨干扰下的尾桨非定常气动载荷分析方法。通过计算AH-1G旋翼桨叶非定常气动载荷特性,并与实验测量值、计算流体力学(CFD)计算结果对比,验证本文非定常气动干扰模型的有效性。随后基于NASA ROBIN(Rotor Body Interaction)模型分析悬停、侧风和60°右侧滑状态主旋翼对尾桨非定常气动载荷的影响,分析表明主旋翼尾迹对尾桨非定常气动载荷影响显著。悬停状态的主旋翼/尾桨干扰导致尾桨拉力平均值下降、非定常气动载荷显著增加;左侧风状态,主旋翼/尾桨干扰削弱尾桨"涡环"程度,显著增加尾桨拉力和非定常气动载荷;60°右侧滑状态,主旋翼/尾桨干扰导致尾桨拉力损失最大,且在低速侧滑状态出现尾桨拉力"迅速恢复"现象,尾桨非定常气动载荷幅值迅速增加。     

三维旋转效应对桨叶气动特性影响的计算

在旋转的作用下,流动分离向下游延迟,结果大大改变了风力机桨叶的气动特性,这种由旋转所带来的影响被称为三维旋转效应。本文以桨叶表面边界层理论分析的结果为基础,给出了三维旋转效应对气流分离影响的解析关系,将其与非定常气动和动态失速模型相结合,并适当考虑旋转条件下桨叶翼型载荷的分布特性,使其能计算三维旋转效应下风力机桨叶的非定常气动特性.通过算例表明,当这一三维旋转效应模型与非定常动态失速模型耦合后再计算桨叶非定常气动特性时,能大大改善计算结果。     

基于结构动网格的无人机地面效应研究

为了更好地分析地面效应对无人机气动特性的影响,采用一种新的结构动网格生成技术,运用CFD手段对某无人机的地面效应进行了研究。在一套静态网格CFD计算基础上,运用结构动网格生成技术,获得非定常的网格移动,得到一系列的不同攻角、地面效应高度的CFD网格及初始流场。在此基础上进行定常流场求解,计算得到地面效应的定常CFD结果。最后对某双尾撑布局无人机的地面效应进行了CFD计算研究,对相应的全机气动特性的影响进行了分析。计算结果表明：地面效应对平尾的影响大于对机翼的影响并使平尾的失速迎角提前;该方法是可行的,具有一定的工程应用价值。     

Coupled simulation of flow-structure interaction in turbomachinery

The aeroelastic behaviour of vibrating blade assemblies is usually investigated in the frequency domain where the determination of aeroelastic stability boundaries is separated from the computation of linearized unsteady aerodynamic forces. However, nonlinear fluid-structure interaction caused by oscillating shocks or strong flow separation may significantly influence the aerodynamic damping and hence effect a shift of stability boundaries. In order to investigate such aeroelastic phenomena, the governing equations of structural and fluid motion have to be simultaneously integrated in time.In this paper a technique is presented which analyses the flutter behaviour of turbomachinery bladings in the time domain. The structural part of the governing aeroelastic equations is time-integrated according to the algorithm of Newmark, while the unsteady airloads are computed at every time step by a Navier–Stokes code. The link between the two time integrations is an automatic grid generation in which the used mesh is dynamically deformed so that it conforms with the deflected blades at every time step.The computed time series of the aeroelastic simulation of an assembly of highly loaded compressor blades vibrating freely in transonic flow are presented. The energy transfer between fluid and structure is here dominated by vibrating shocks and shock-boundary layer interaction. It is investigated if the predicted aeroelastic stability boundaries differ from those of a linearised method.     

旋转流场下的振荡动导数试验技术研究

为研究飞机在旋转流场下的非定常气动特性,中国空气动力研究与发展中心低速所在Φ5m 立式风洞开展了旋转流场下的振荡动导数试验技术研究。本文推导了在旋转流场下识别组合动导数的方法,介绍了试验设备,获得了在旋转的同时,由振荡产生的3个组合动导数,并对试验结果进行了分析与讨论。将单自由度动导数结果与Φ3．2m 风洞试验结果进行了对比,旋转/振荡耦合试验结果表明：旋转运动使得俯仰组合动导数变得不稳定,而对于横向组合动导数,大转速则会显著增大非线性。该试验技术能够为研究旋转流场下的非定常气动特性提供一个有效的试验平台。     

新型倾转旋翼机气动弹性稳定性分析模型

针对新型半铰接式、摆振柔软的倾转旋翼机,建立了旋翼/动力舱/机翼气动弹性稳定性分析模型,并导出了系统的动力学方程。分析模型采用了当量铰、弹性约束的刚性桨叶和弹性机翼假设,采用Pitt-Peters动力入流模型计入了非定常气动力的影响。所建模型为进行新型倾转旋翼机大速度飞行时气弹稳定性分析奠定了基础。     

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。