大型飞机穿越微下击暴流风场的实时仿真(英文)

为在飞行模拟器中高逼真度地模拟在扰动风场中的飞行,研究了大型飞机在起飞着陆阶段遭遇微下击暴流风切变的实时仿真。基于涡环和Rankine复合涡原理建立了参数化三维微下击暴流模型。通过涡环倾斜和多涡环叠加方法实现了各种复杂微下击暴流风场的模拟。基于Boeing747-100飞机建模数据,系统推导了含风切变影响的六自由度动力学模型,给出了扰动风下气动模型修正的一般方法。对该机遭遇微下击暴流时实施纵向和横侧改出分别进行了控制器设计与仿真。研究结果表明,建立的三维微下击暴流模型可扩展性强,可用于模拟实际复杂风场。含风切变影响的大型飞机动力学模型合理有效。针对飞机从不同位置穿越风场,可采用不同的改出策略。整个模型可应用于飞行模拟器的实时飞行仿真。     

飞机穿越微下击暴流起飞特性实时仿真研究

以大型客机为例，对飞机穿越微下击暴流的起飞飞行特性进行了实时数字，实时混合仿真及人机半物仿真研究，分析不同风场和不同进风高度对有，无人操纵飞行的航迹特性及相应状态变量响应特性的影响，探讨了飞机起飞飞行的安全性及正确操纵策略，最后给出了一些结论。     

微下击暴流对飞行安全的影响

本文介绍了一种危害飞行安全的小尺度风暴“微下击暴流”的特点。分析了它对飞机起飞和着陆的影响。同时介绍了下击暴流的模拟技术和利用流体动力学模型进行穿越风暴着陆的数学模拟结果,揭示了飞机在微下击暴流中的运动特点。作者还对今后的研究工作提出了建议以及指出了通过地面模拟试验培养飞行员处理和应付微下击暴流这种复杂气象环境能力的必要性。     

飞机穿越微下击暴流风场进场着陆运动特性

应用模糊逻辑建模与辨识的方法建立了微下击暴流模型，利用此模型对A300飞机进场着陆时穿越微下击暴流进行了模拟，分析了低空风切变模型中高度因素的影响，说明了二维模型比一维模型更为优越。结果表明，提出的建模方法能够更好地以映出飞机穿赵微下击暴流的动态特性。通过分析初始高度对飞机穿越微下击暴流动态性能的影响，得出了一些重要的结论，从而对低空风切变危害飞机安全的物理本质有了进一步的认识。     

地面粗糙度对下击暴流风剖面特征影响

地面粗糙度是大气边界层中反映下垫面形态的重要指标,也是影响近地风场特征的重要因素。为研究地面粗糙度对下击暴流风剖面特性的影响,基于计算流体力学方法建立了下击暴流三维足尺模型,通过实验对数值模型进行了验证。通过调整粗糙元高度及分布密度来模拟自然界地面不同的粗糙类别,数值模拟了具有不同地面粗糙长度的下击暴流近地风场。结果表明:在距离风暴中心较近的位置(r≤1.0 Djet),地面粗糙度对下击暴流风场的影响并不明显,各径向位置的最大风速值和最大风速所在高度都基本不受地面粗糙度影响;在下击暴流冲击地面后沿径向发展的过程中,经过粗糙的地面,产生能量耗散效应,地面粗糙度对于下击暴流风剖面特征的影响逐渐显著,不同地貌下的竖直风剖面产生较大差异;在近地面高度,地面粗糙度对下击暴流径向风剖面影响显著且影响范围大,沿径向发展的方向下击暴流的风速随着地面粗糙长度的增加而下降更迅速;随着距离地面高度增加,地面粗糙度对径向风剖面的影响主要体现在远离风暴中心的区域。尽管下击暴流形成后沿径向扩散过程存在强度自然衰减过程,但在距离风暴中心较远的径向位置,当遭遇强下击暴流时,下击暴流引起的近地面强风仍然具有很大的威胁和破坏性,因此地面粗糙度对下击暴流风剖面特性的影响不能忽略,需要在风剖面模型中考虑地面粗糙度的修正。     

微下击暴流的流体动力学模型

与风暴相关的下击暴流现象产生一股类似于从空中指向地面的喷流。本文应用经典流体力学理论,借助于奇点分布方法所产生的流场,模拟了下击暴流接近地面部分的风速矢量分布。三维模型能产生水平、侧向和垂直方向的风切变。流体动力学模型对于研究在有暴风存在的条件下的飞机起飞和着陆具有实际的应用价值。它可以应用于数学仿真或“在线”、实时飞行模拟。     

实测下击暴流作用下大跨斜拉桥抖振响应分析

为研究大跨斜拉桥在下击暴流作用下的抖振响应,以赤石大桥桥址处实测下击暴流风时程数据为基础,采用小波变换法提取下击暴流时变平均风速,得到随时间变化的调制函数,以Kaimal谱为目标谱,采用谐波叠加法模拟桥址区脉动风速并加以调制,实现了桥址区下击暴流风时程模拟。在此基础上,分别进行下击暴流风场和大气边界层风场作用下的大跨度斜拉桥施工状态静风响应和非线性时域抖振响应计算。结果表明:模拟下击暴流风速时程与实测下击暴流风速时程吻合较好。下击暴流风场模拟脉动风时变功率谱的幅值明显大于大气边界层B类风场模拟脉动风时变功率谱幅值。当桥面高度处下击暴流风与大气边界层风速相同时,考虑下击暴流时变平均风效应计算得到的桥梁主梁梁端静风效应的最大值,约为采用10min常值平均风计算的桥梁主梁梁端静风效应最大值的1.20倍左右;下击暴流风作用下桥梁主梁梁端、桥塔塔顶抖振响应均方根(RMS)值分别比大气边界层风场作用下的计算值大,最大比值约为2.8。     

低空风切变系统建模及其对直升机飞行安全威胁定性分析

系统地建立了含湍流的三维低空风切变模型，并综合分析了其对直升机飞行安全的威胁。建立了微下击暴流风场及大气湍流场组合的风切变模型，在不增加计算量的前提下，选取特征点发展直升机飞行动力学模型，有效捕捉了风切变的切变特性，提高了在风场中的动态响应计算精度。模型配备姿态保持功能的控制增稳系统已符合一般直升机的飞行状态，并改善机体响应。根据风速分布的特点，选取不同飞行速度、不同风场位置进行飞行仿真，定性地对比分析状态量变化与风场对应关系，并且以垂向通道为例，从动力学角度分析验证了响应的理论计算表达式。结果表明：湍流主要导致高频姿态角响应，风切变对飞行状态量变化占主导作用，且垂向风是引起威胁的主要因素，据此提出危险风场规避建议。     

微下击暴流的简化数学模型

本文用N段直线涡组成的封闭涡环构成模拟微下击暴流的数学模型,此模型的形式简单、易于编写计算程序,运算速度快,并且变化多样,调整方便,适于实时模拟计算仿真。     

含湍流可变向微下击暴流的建模

本文建立一个适用于飞行力学研究和飞行员训练的微暴流风切变模型。该模型可模拟以任意方向倾泻的微暴流，其暴核离地高度、暴核直径、暴流强度、暴流倾泻方向、距机场位置等皆为可调参数，使用灵活方便，文中还给出了一种模拟非平衡微暴流湍流的方法，使微暴流模型更趋完善。     

飞机穿越微下击暴流风场着陆的运动特征

本文以流体动力学微下击暴流模型产生三维风场,对飞机穿越风暴着陆进行了模拟。通过对纵横向运动特征的分析,揭示了飞机运动的特征。发现横航向运动难以操纵,对飞行安全威胁很大。一般的经典理论设计出来的横侧向自动着陆系统往往满足不了要求。采用二次指标函数按优化理论求得的操纵规律能够满意地控制航迹偏差最小。     

飞机运行低空气象环境仿真建模分析

低空风切变和阵风是影响飞机运行的特殊的大气环境,对飞机的安全运行造成很大的危害。阐述了风切变、阵风等影响飞机飞行安全的低空气象环境的概念,种类以及各自的特点,设计开发了一个基于Matlab的仿真平台,采用工程建模的方法,实现对微下击暴流和阵风的模拟仿真。通过仿真的结果,分析出不同气象环境对飞机的影响。     

下击暴流的分析与预报

下击暴流对飞行的安全及国民经济危害很大。本文通过对2001年7月2日的一次下击暴流的分析结果发现：当日的探空曲线的分析、环境风场的分析、下沉对流有效位能(DCAPE)的分析、WINDEX指数分析、WINDEX指数与卫星云图的结合对预报下击暴流是否出现较有利；总结出用卫星云图的伪彩增强项结合大风指数(WINDEX)做下击暴流的临近预报准确性较高。     

机载前视式低空风切变探测数值模拟研究

使用二维面对称微下击暴流数值模式,对“湿”微下击暴流风切变进行了模拟,并通过工作在Ｘ－波段的微波多普勒雷达,对飞机着陆下滑航迹前方的微下击暴流风切变进行探测。结果表明：通过单元－单元自动增益控制、杂波滤波和天线仰角控制,可提前８０ｓ（６ｋｍ）探测到“湿”微下击暴流风切变,符合ＦＡＡ提出的适航要求     

飞机起落安全的大敌—下击暴流

本文根据目前所掌握的资料,对下击暴流的基本特征、形成机理、下击暴流对飞行安全的影响及防范措施作了简要的归纳介绍,以利于飞行和气象人员保障飞行安全.     

微下击暴流的物理模型

本文对典型微下击暴流的物理模型进行了描述。分析表明，一个完整的微下击暴流物理模型包括下冲气流、气压鼻和水平涡度环等结构。当下冲气流的底部形成多处水平涡度环时，则会导致微下击暴流群的出现。     

一种简化的下击暴流工程模型

本文根据飞机设计的需要和下击暴流的物理特征,建立了一种简化的下击暴流工程模型。利用该模型进行了飞机对下击暴流响应的计算,分析比较了下击暴流中风速和风速梯度对飞机响应影响的大小。所得结论具有一般意义,可供飞机风切变响应计算分析参考.     

大型飞机穿越微下冲气流的纵向特性分析

根据流体力学雷诺时均方程,采用的CFD数值模拟方法对微下冲气流流场进行模拟分析,建立适合于飞行力学研究和飞行仿真的微下冲气流模型。之后建立了含扰动风参数的飞机动力学模型,并对飞机穿越微下冲气流的纵向响应特性进行仿真分析。结论表明,CFD模拟的微下冲气流能有效地反映出风场内部的流动特征。微下冲气流导致飞机高度急剧降低,高度余量不足时,容易发生撞地危险。     

直升机高原山区飞行的风环境仿真建模技术研究

在高原山地环境中，气流风场的复杂变化对直升机的飞行安全有重要影响，创建高原山区环境下的风场模型，对模拟直升机在高原环境下飞行尤为关键。通过收集、分析已有的高原环境气候数据，建立给定区域的三维空间几何模型，采用计算流体力学方法模拟出给定区域的风场布局，并开发实时插值程序，为风场实时再现提供数据样本。     

自动攻击引导可视化仿真系统软件设计

对可视化仿真相关的MultiGen Creator建模技术以及Vega Prime的实时渲染技术进行了深入研究。通过实时网络接收飞行仿真得到的数据,驱动飞机模型,实时更新位置、姿态以及虚拟仪表显示,实现了自动攻击引导可视化仿真系统。