刚体姿态仿真方法研究

首先论述了姿态描述的四种方法:欧拉角、欧拉轴旋转参数、方向余弦和四元数法,重点介绍了四元数法在飞行器运动学上的应用,它消除了欧拉方程的奇异性,计算效率也远远优于其他三种方法;最后讨论了数值仿真的方法及误差。     

高超声速壁面黏性力快速计算方法

当前高超声速飞行器壁面黏性力的预测方法主要有精确的Novier-Stokes方程CFD方法(计算流体力学)和快速工程计算方法。前者计算精度高,但效率很低;后者效率极高,但精度难以满足工程应用要求。如何将两种方法有效结合,发展具有一定精度且效率也较高的壁面黏性力计算方法,一直是计算空气动力学研究的重要方向之一。为此,本文基于无黏Euler方程CFD方法获得的壁面流场参数,发展了一种更加精确的高超声速飞行器壁面黏性力快速工程计算方法。该方法以经典参考温度法为基础,以壁面当地流场参数替代自由来流参数,更加充分地考虑了高超声速复杂流动的特性,从理论上提高了壁面黏性力的预测精度。为验证该方法的准确性,以典型高超声速高升阻比飞行器外形为研究对象,分别采用精确Navier-Stokes方程CFD方法和本文发展的快速工程计算方法,预测了高空高马赫数飞行环境下飞行器壁面的黏性力;通过对比分析表明,本文所建立的快速计算方法预测偏差为10~20%,能够满足工程初步设计的要求。     

再入机动飞行器气动特性的数值计算和近似计算方法

本文提供了改进的空间Euler方程推进方法和稳定方法,可有效地计算再入机动飞行器的流场,然而,这种数值方法计算再入飞行器的气动特性耗机时多,经费昂贵。 本文发展了一种新的近似计算方法,其计算结果与数值解和试验相比相当吻合,计算机时仅为数值计算的0.2％,对于工程应用,该方法是有数的工具。     

双椭圆截面再入飞行器的气动计算及布局优化设计

双椭圆截面飞行器较圆截面回转体外形具有更好的刚性、更轻的重量、更大的容积和更高的配平升阻比.本文首先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,并利用N-S方程数值模拟方法进行了验证.其次,对此类飞行器的气动布局进行了优化设计,并利用相同的优化模型对圆截面外形进行了计算.最后,对双椭圆截面优化外形和圆截面优化外形的气动特性进行了比较.     

基于欧拉方程的尾迹面法气动力计算

在飞行器气动设计中,气动力的分析与计算很重要。介绍了一种基于欧拉方程新的气动力计算方法。详细说明了该方法的基本原理,并用不同机翼在不同扰流情况下的气动力计算实例对该方法作了讨论与分析。数值模拟的结果表明该方法在飞行器的气动设计中是现实可行的,具有很强的工程应用价值。     

飞行器大迎角下俯仰静、动导数的数值计算

 采用一种适用于非定常流动计算的逐次超松弛（SOR）时间推进方法耦合求解非定常Navier-Stokes方程和强迫运动方程,数值模拟了NACA0012翼型、弹道外形(HBS)和有翼导弹等飞行器在不同初始迎角下做强迫俯仰振荡的黏性动态流场,给出动态气动力及力矩系数的时间历程;采用积分法获得飞行器的静导数和动导数,将计算结果与实验结果及半经验理论预测方法进行比较并分析飞行器在大迎角下动态特性的非线性特征;计算结果与实验值相吻合,表明本文采用的非定常数值模拟方法在大迎角下能够较准确地模拟飞行器的动态特性,具有工程应用价值。     

RANS方程和附面层方程耦合求解转捩位置的方法

研究了基于线性稳定性分析的RANS（Reynolds-Averaged Navier-Stokes）方程和附面层方程耦合求解转捩位置的方法。RANS方程计算得附面层外边界的速度分布作为附面层方程计算的输入,求解附面层方程得到稳定性分析需要的附面层参数。由于附面层的解在分离点处的奇异性,用交互式附面层方程求解方法。用基于线性稳定性分析的e^N方法计算转捩位置,并考虑了Tollmien-Schliching波和层流附面层分离造成的转捩。迭代求解RANS方程和附面层方程,直到转捩位置收敛。RANS求解中使用转捩过渡区模型,避免了点转捩模型引入的数值扰动。通过对NA-CA0012翼型的计算并和实验结果及Xfoil计算的结果进行比较,吻合较好,有较好的工程实用价值。     

先进飞行器气动隐身一体化设计方法研究现状与趋势

介绍了先进飞行器气动隐身一体化设计的研究现状与发展趋势。首先介绍了设计中的常用的数值模拟技术。针对气动力计算,重点分析对比了位势方程、Euler方程和N—S方程等气动力计算方法;针对隐身性能计算,重点分析对比了高频近似方法、时域法、频域法等雷达散射截面计算方法。在此基础上。讨论了先进飞行器气动隐身一体化设计的策略和步骤,最后对该设计方法的发展趋势进行了分析。     

双欧法与四元数法的应用比较

对解决欧拉方程奇异性的双欧拉和四元数法进行了对比研究，四元数法从理论上讲比较完美，但实际应用中存在较大的累积计算误差，从而影响计算精度；双欧法利用正、反欧拉方程间精华区倒挂关系进行分区交替运算，把精华区扩展到全域，不仅根除了奇异性，而且计算误差小。因此，对于解决欧拉方程奇异性来讲，双欧法要优于四元数法。     

基于准定常的飞行器动导数的高效计算方法

结合工程设计经验和工程计算方法,针对飞行器动导数计算方法展开研究。基于求解准定常欧拉方程发展了一种适合于亚跨超声速状态下,任意气动外形气动导数的高效计算方法,并将计算结果与一般非定常方法的求解结果以及国际标准实验数据进行了对比,研究结果表明该方法结果可靠、效率较高。     

不等熵一维定常管流数值解法

不等熵一维定常管流控制方程的数值解法,已有许多讨论,但大多局限于某些特定情况,特别是控制方程在奇点(M=1)附近的计算,还没有一个简便的方法.本文引进新变量,把方程变为非奇异的,提出了对各种不等熵流都适用的数值解法.由于引进了喉部条件,保证了数值解的唯一性.经过对模型方程的计算精度分析,证明该数值解除了在奇点附近稍有误差外,其它地方与精确解一致.本文最后给出了该方法在无喷管发动机内弹道计算中的应用.     

用高精度紧致差分格式分块耦合求解二维粘性不可压缩复杂流场

本文提出了张量形式的粘性不可压缩流场方程的高精度分块耦合求解方法。在分块算法中用重叠一层的方法来实现子块间的数据交换，同时克服了块剖分所造成的数值奇性。利用本文所提出的算法成功地模拟了椭圆柱绕流问题的时间发展过程，如尾流，旋涡的产生，脱落过程以及Karman涡街的形成等。     

劈绕射系数的一种通用表达式及应用

 在讨论矩形波导辐射场、飞行器翼边电磁散射场时,要用到二维金属尖劈的绕射系数表达式。许多学者对尖劈绕射场进行了详细讨论,给出了明确结果,其中级数形式的严格解收敛速度较慢,简化公式是当源置于无限远处取得的,对于尖劈近区场源问题没有触及,文献[2]给出的简化解析式在应用上有一定的困难。因此我们重新进行了推导,获得一种新的表达式,适合于近、远场源问题的数值计算。矩形波导棱边的绕射是普通劈尖的一个特例。     

自由漂浮空间机器人点到点避奇异运动控制方法

针对具有冗余机械臂的自由漂浮空间机器人（Free Floating Space Robot, FFSR）点到点避免奇异性规划和控制问题,提出了一种冗余FFSR的点到点避免奇异控制方法。首先,该方法基于离散状态依赖李卡提方程（DSDRE）控制器设计方法,利用FFSR的动力学和运动学方程实现了FFSR系统方程的伪线性重构;然后,基于伪线性重构系统及DSDRE状态调节器设计方法实现了FFSR的关节角速度和末端位姿的同时跟踪控制;其次,根据跟踪控制器对FFSR广义雅克比矩阵（GJM）行满秩的设计要求,定义FFSR的奇异性判别依据,构造了避奇异约束函数;再次,由于冗余FFSR系统具有多逆运动学解特点,考虑关节角及关节角速度约束,结合避奇异约束函数设计了FFSR的期望轨迹在线规划器,进一步将设计的跟踪控制器与规划器相结合提出了冗余FFSR末端点到点避奇异运动控制方法。最后,为验证所提方法的有效性同时考虑简化计算,采用平面4连杆FFSR模型进行数值仿真,仿真结果表明所提点到点避奇异运动控制方法能够有效实现冗余FFSR系统的点到点避奇异运动。     

导电圆柱壳体磁弹性二阶谐波共振响应分析

 研究了磁场环境中受机械载荷作用圆柱壳体的二阶谐波共振响应问题。首先给出了电磁场环境中导电圆柱壳体的非线性磁弹性振动方程和电磁场方程,并应用伽辽金积分法导出了相应的无量纲化非线性振动微分方程。然后采用多尺度法对系统的二阶超谐波和亚谐波共振问题进行求解,得到了稳态运动下关于定常解的幅值响应方程及解的稳定性判别式。最后通过数值算例,给出了共振幅值随磁感应强度和外激励力等参量变化的特征曲线图,分析了解的稳定性、奇点性态及分岔特性。结果表明,通过电磁或机械参数的适当选取,能够达到激发或抑制系统共振现象的目的。     

层流控制和自然层流机翼可压缩边界层计算和应用

本文对后掠层流机翼可压缩边界层进行了计算研究。引入新的相似变换形式,避免了Kaups-Cebeci方法在变换中可能出现的奇性,导出了在新的相似变换下的偏微分方程组。对层流控制(LFC)和自然层流(NLF)机翼进行了计算,得到了满意的结果。     

超音速轴对称头部进气道的内、外流场及外壳压阻计算

为了计算超音速轴对称头部进气道的流场,采用有限差分法编制了一个通用计算程序。该程序适用于皮托式、单锥、双锥、三锥、等熵锥等各种进气道的正问题气动设计。由于在进气道无粘流场计算中,采用了分离奇性的差分方法及混合使用显、隐差分格式,所以在边界点和内点及奇点邻域,计算结果均达到二级精度。程序可瑜出所需要的进气道各内流特性及外流特性。 文中列生了五个计算实例,并与特征线法计算结果和实验结果作了比较。符合程度令人满意。     

全耦合的一维两相喷管流的数值解

本文对控制方程组作了无因次处理,用龙格-库塔-基尔法进行了数值解。计算了五种粒度及两种微粒-气体质量流率比下微粒速度滞后及温度滞后;气相和凝相参数沿喷管长度的变化。分析讨论了所获得的结果,并简要地评论了几种一维两相喷管流模型。      

钝尾物体底部压力计算

 提出了一种简便可靠的计算钝尾物体表面压力分布及底部压力的方法。将钝尾物体绕流流场分为无粘区、边界层区和分离区。无粘区和边界层区分别用位流理论和边界层理论计算。分离区由根据尾流函数等建立的替代模型模拟。利用奇点法解出整个模型的压力分布。计算釆用迭代法进行。对Vanwagenen模型和鲁尔大学模型进行了计算,结果表明该方法是成功的。