冲压翼伞充气过程的数值模拟

基于冲压翼伞的MSD模型,采用流场、结构松耦合方法对冲压翼伞的充气过程开展数值模拟研究。通过将冲压翼伞简化为二维的伞衣剖面,分析单个伞衣剖面受到的气动力、重力和应力,并离散作用于由弹簧阻尼连接的质点上,建立了伞衣多节点模型,编写了多节点模型动力学方程组解算代码。结合流场计算得到的伞衣充气过程表面的气动力,对充气过程进行了动态仿真,初步分析了翼伞充气过程伞衣外形、流场和气动特性变化特点。     

平衡风速下十字形伞弹系统姿态摆动分析

以一定高度和速度飞行的母弹从其伞弹舱中抛撒伞弹系统群,各个伞弹系统的姿态摆动情况将影响其落点及落角,进而影响其作战效能。采用立式风洞试验和非定常数值仿真(CFD),分析平衡风速下十字形伞弹系统的姿态摆动情况。通过立式风洞试验,可确定柔性伞的外形、伞弹系统的阻力系数和摆动频率,并创新"拉拽式"试验模型的约束方法;采用基于三维N-S方程的CFX软件,进行伞弹系统非定常数值仿真,分析其摆动机理。结果表明:数值仿真得到的阻力系数、法向力系数、侧向力系数及其摆动频率,均与风洞试验结果相吻合,即数值仿真结果能够反映风洞试验中伞弹系统的摆动情况;伞弹系统的流场极不稳定,伞衣内部有一对方向相反、强度交替变化的旋涡,伞衣外部存在不稳定分离流动,二者相互关联,使得气动参数呈周期性波动,导致伞弹系统的姿态摆动。     

气动减速系统阻力伞锁机构可靠性分析

气动减速系统是保证飞机正常飞行的关键，如何高效、可靠地实现阻力伞锁机构的打开是影响气动减速系统的关键。本文以气动减速系统阻力伞锁机构为研究对象，通过对阻力伞锁机构运动特性的分析建立了刚柔耦合仿真模型并开展动力学仿真。针对其复杂的工作特点，提出了阻力伞锁机构卡滞与精度失效两种关键失效模式。针对关键失效模式分别建立了可靠性分析模型，采用AK-MCS法计算阻力伞锁机构可靠性。通过本文研究，得到了阻力伞锁机构在不确定性环境下可靠性水平，可以为今后阻力伞锁可靠性设计提供参考依据。     

开“窗”结构对环帆伞开伞过程影响

随着载荷重量的增加，单伞已无法满足大重量返回舱的安全着陆要求，群伞系统获得关注并成功应用。然而，伞间干扰等问题仍困扰着群伞的设计，新一代载人飞船已经考虑从透气性角度对此进行解决。同时，鉴于群伞开伞过程仿真难度较大，在不改变伞衣构型设计的前提下，采用流固耦合（FSI）方法针对单伞开展不同透气性的环帆伞开伞过程数值模拟，旨在研究开“窗”结构对环帆伞气动性能的影响。结果表明：开“窗”结构对环帆伞开伞过程中的外形变化有较小影响，开“窗”前后的伞衣投影面积与名义面积比变化最大不超过15%；对于不同的开“窗”位置和数量，平衡平均阻力系数、开伞动载系数及阻力系数波动三者的最佳选择为帆5位置和25%数量；采用开“窗”结构后的环帆伞最大摆角至少减小5°，且减小幅度随着开“窗”数量的增加而增大，但与开“窗”位置之间并无明显规律。     

先拉伞绳法数学模型及拉直力预测

给出了考虑伞绳粘弹性的降落伞先拉伞绳法拉直过程预测方法.建立了拉直过程数学模型的基本方程,理论分析了基本方程中粘性项对张力波在伞绳中传播的作用;弹性张力波不仅使伞衣套一端产生的张力通过伞绳传到前置体一端在时间上滞后一些,而且由于拉直过程中存在着吸收和弥散现象,使两端的张力不能相等.使用该模型计算了伞拉直运动和拉直力,对拉直力动态变化过程进行了分析.计算表明:前置体一端承受的最大拉直力不仅与伞衣底边被拉动瞬间产生的最大张力有关,而且与拉出伞衣底边以后产生的载荷张力有关.      

翼伞系统动力学建模与仿真研究

以精确空投系统研究为背景,综合运用运动力学和空气动力学知识,建立了翼伞系统6自由度非线性动力学模型,该模型包括3自由度沿系统质心的平动和3自由度绕系统质心的转动.根据此模型分析了翼伞系统的整体运动特性(包括运动轨迹和姿态等),并进行了常值风场对翼伞系统飞行特性的影响研究,得出了翼伞系统在滑翔、转弯和雀降模态下的主要飞行参数,从而为翼伞系统飞行控制系统的设计提供了重要的理论依据.     

速度对火星用盘缝带伞超声速开伞性能影响

基于LS-DYNA软件中的时－空守恒元／解元算法（即CE／SE算法）对降落伞在火星大气环境下的超声速开伞性能进行研究。通过数值仿真探讨来流速度对其性能的影响,为火星用盘缝带伞的设计提供参考。通过对各马赫数下伞衣的外形、投影面积、阻力系数和伞衣表面应力的情况进行比较,得出以下结论：随着来流速度的增加,降落伞的投影面积先增大后减小,在1．6马赫左右最大;阻力系数随着来流速度的增加也先增大后减小;伞衣表面应力在伞衣带和伞衣盘的中部区域最大,随着来流速度的增加,表面的最大应力值也逐渐增大。最后,研究了伞绳长度对降落伞性能的影响。     

无伞末敏弹双S形尾翼弯折角对气动特性影响研究

为获得双S形尾翼末敏弹弯折角对气动特性的影响,基于计算流体力学方法对两片尾翼弯折角分别为10°、20°和30°的九种组合结构模型气动特性展开研究。获得了模型表面压力分布及阻力系数、升力系数和转动力矩系数随迎角由-30°到30°变化的规律。并通过高塔投放的自由飞行试验进行了动态气动特性研究。双S形尾翼无伞末敏弹流场计算结果显示,随着尾翼弯折角增大,双S形尾翼末敏弹阻力系数减小而转动力矩系数增加。弯折角变化对双S形尾翼末敏弹升力系数影响作用较小。试验结果显示,尾翼弯折角增大时,试验末敏弹弹轴与铅直轴夹角亦增加,即扫描角变大,但随着弯折角继续增加末敏弹的稳定性下降甚至出现翻转失稳而不能实现稳态扫描。通过本文的研究可以为改进末敏弹稳态扫描平台设计提供参考。     

冲压翼伞流场与气动操纵特性的数值模拟

采用有限体积法求解shear stress transport(SST) k-ω二方程湍流模型下的Navier-Stokes(N-S)控制方程,对冲压翼伞的气动特性进行数值模拟,分析翼伞的流场机理和气动操纵特性.模拟得到的升阻特性与试验数据较吻合,在此基础上分析前缘切口、弧形下反以及稳定幅对升阻特性的影响.通过软件Fluent实现了非定常流动模拟,研究了翼伞的非定常升力特性,其升力系数的脉动受脱体涡的非定常过程影响,当迎角为16°时,翼伞升力变化周期为0.36s.最后分析了翼伞稳定滑翔阶段的纵向静稳定性,相比于单边后缘下拉方式,通过闭合翼伞一侧进气口实现航向操纵更稳定有效.      

翼伞弧面下反角、翼型和前缘切口对翼伞气动性能的影响

为了研究翼伞弧面下反角、翼型和前缘切口对翼伞气动性能的影响,对带气室的、展弦比为3的不同特征几何参数翼伞模型的流场进行了三维、定常数值模拟。运用有限体积法对三维坐标系下不可压雷诺时均Navier-Stokes (RANS)方程进行了直接求解,采用剪切应力输运(SST)k-ω两方程湍流模型对湍流进行模拟。数值模拟得出的原始翼伞的气动性能参数与试验数据在总趋势上符合很好,不同几何参数翼伞模型计算结果表明:翼伞弧面下反角越大,升力及诱导阻力越小,升阻比变化不大;前缘半径、厚度小的翼伞翼型,阻力更小,升阻比大;前缘切口对翼伞影响区域限于前缘附近,压力分布同干净翼类似,降低了其失速迎角,对升力影响不大,但明显增大阻力。该数值方法可为进一步研究更多不同几何参数的翼伞模型提供参考。     

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.      

Effect of Martian atmosphere on aerodynamic performance of supersonic parachute two-body systems

Supersonic flows around parachute two-body systems are numerically investigated by solving the compressible Navier-Stokes equations. In the present study, both rigid and flexible parachute models are considered, which comprise a capsule and a canopy. The objective of the present study is to investigate the effects of the Martian atmosphere on the unsteady flows produced by these parachute two-body models and the structural behavior of the flexible canopy. It was found that in the Martian atmosph...     

Simulation of 3D parachute fluid–structure interaction based on nonlinear finite element method and preconditioning finite volume method

A fluid–structure interaction method combining a nonlinear finite element algorithm with a preconditioning finite volume method is proposed in this paper to simulate parachute transient dynamics. This method uses a three-dimensional membrane–cable fabric model to represent a parachute system at a highly folded configuration. The large shape change during parachute inflation is computed by the nonlinear Newton–Raphson iteration and the linear system equation is solved by the generalized minimal residual(GMRES) method. A membrane wrinkling algorithm is also utilized to evaluate the special uniaxial tension state of membrane elements on the parachute canopy. In order to avoid large time expenses during structural nonlinear iteration, the implicit Hilber–Hughes–Taylor(HHT) time integration method is employed. For the fluid dynamic simulations, the Roe and HLLC(Harten–Lax–van Leer contact) scheme has been modified and extended to compute flow problems at all speeds. The lower–upper symmetric Gauss–Seidel(LUSGS) approximate factorization is applied to accelerate the numerical convergence speed. Finally,the test model of a highly folded C-9 parachute is simulated at a prescribed speed and the results show similar characteristics compared with experimental results and previous literature.     

侧风环境下行驶的直背式轿车气动力计算

分别对直背式简化轿车模型在无侧风、稳态侧风、非稳态侧风三种条件下汽车周围流场进行了数值模拟,并对汽车受到的气动力进行了计算.结果表明,定常侧风会产生较大侧向力,阻力和升力也有一定增加;在非定常侧风作用下,气动力变化趋势与侧风速率变化趋势基本相同.阻力增大幅度较为平缓,侧向力增大较为显著,升力处于两者之间.当侧风增大到一定速率后,车外流场会发生较大变化,尾涡会转变为侧向涡.      

不同透气情况降落伞的流场试验研究

降落伞由于其柔软透气性,其流场测量非常困难,而流场特性直接关系到降落伞的气动性能.本文采用风洞设备,利用七孔探针对不同透气情况下的降落伞的绕流流场进行了试验测量.采用Labview和Matlab engine混合编程技术进行七孔探针的压力数据采集和实时数据处理,获得了不同透气情况下伞衣周围的速度及压力分布情况,并对其进行了详细的流场分析.通过对不同透气伞流场的比较,可知透气情况对伞衣前后静压大小、尾流流线汇集位置、稳定性及噪音均有一定的影响.本文的研究解决了绕伞衣流场定量测量的难题,同时为降落伞的气动性能分析提供了一个很好的技术方案.     

火星进入器高空稀薄气动特性

针对火星稀薄大气环境进入器气动特性问题,以类火星科学实验室外形为例,计算分析火星稀薄大气真实气体效应对气动特性的影响,给出火星高空稀薄环境下的气动特性规律。研究发现,随着飞行高度的增加,稀薄度增加,激波脱体距离、激波厚度增大,激波强度减弱,明显的激波结构逐渐消失,流场等值线更趋于圆弧状分布;真实气体效应使得迎风面压缩及背风面膨胀增强,轴向力、法向力及顶点力矩系数等预测结果与完全气体模型预测结果相比绝对值偏大;随着稀薄度增大,轴向力、法向力及顶点力矩系数等绝对值增大,在同样的迎角下,随稀薄度的增加,纵向压心前移,进入器的静稳定性变差。     

环片数量对环帆伞气动性能的影响

为探究环片数量对环帆伞气动性能的影响,文章基于 CFD方法对某环帆伞流场开展了定常三维数值模拟,采用有限体积法求解不可压缩 Navier-Stokes控制方程来模拟外部流场,获得了该伞的气动参数与绕流流场分布。通过数值结果与空投试验结果对比,验证了数值方法的准确性。在不改变伞衣名义面积和环帆高度比的前提下,分别针对定结构透气量和变结构透气量开展了环片数量对气动性能的影响研究,结果表明:定结构透气性下,环片数量对伞衣阻力性能和气动静稳定性的影响很小;变结构透气性下,环片数量通过影响透气量、尾涡分布等因素进一步影响环帆伞稳定性。上述结果对环帆伞的设计有一定参考意义。     

涡轮叶片裂纹故障的3维叶尖间隙变化特性分析

为了分析涡轮叶片裂纹故障的3维叶尖间隙动态变化特性,以3维叶尖间隙动态测量试验台上的模拟涡轮转子为研究 对象,建立了涡轮叶片3维叶尖间隙的有限元分析模型;采用数值仿真分析方法分别深入地分析了无裂纹涡轮叶片和不同长度裂 纹叶片3维叶尖间隙的动态变化特性。结果表明：对于无裂纹涡轮叶片,气动载荷会导致其发生弯曲变形,进而,导致轴向偏转角 呈先增大后减小的变化趋势,周向滑移角则逐渐减小,并且气动载荷对轴向偏转角和周向滑移角的影响比对径向间隙的影响更为 显著;对于有裂纹涡轮叶片,在气动载荷、离心载荷、叶片尾缘裂纹故障以及叶片自身形态等多种因素的共同影响下,导致径向间 隙呈现逐渐增大,而轴向偏转角和周向滑移角均呈现逐渐减小的变化趋势。