基于降阶模型的翼型结冰冰形预测方法

翼型结冰冰形的数值模拟预测通常比较复杂耗时,为了更加快速准确地预测冰形以减少计算资源消耗,建立了基于本征正交分解（POD）和Kriging模型的冰形快速预测方法。利用CFD数值模拟结果来构建样本空间,以飞行迎角为例详述了降阶模型的冰形预测的实现手段,并结合试验设计方法,完成了多参数的结冰冰形快速预测,同时研究了先进的Blind-Kriging模型的相关方法以及对于预测结果的改进。结果表明,降阶模型预测翼型结冰冰形与CFD数值模拟结果吻合较好,表明降阶模型可以快速、精确地应用于翼型结冰冰形预测。      

平流层飞艇螺旋桨相似准则分析与验证

根据螺旋桨相似理论,选择等Re数和等前进比作为一组相似准则.通过数值模拟验证该相似准则组合的正确性和适用性,着重研究密度对螺旋桨相似性参数的影响,并将螺旋桨数值计算结果与缩比模型地面常规密度风洞试验的有关结果进行了对比分析.结果表明:数值模拟的不同工作高度下螺旋桨无量纲气动力系数相互重合,螺旋桨数值计算结果和地面风洞试验结果基本吻合,表明在所选择的相似准则下,密度基本不影响螺旋桨相似性参数.平流层飞艇螺旋桨可以在地面常规密度风洞中按照等Re和等前进比相似准则进行缩比模型试验,为平流层螺旋桨的试验研究提供参考依据.     

水滴撞击特性的动态图像测量方法

用石膏脱模的方法制作圆柱实验件.实验采集圆柱试件表面不同位置染色过程的动态视频数据;依据圆柱驻点处色度值时序信号的增长曲线,将实验划分为欠饱和区、平衡区和过饱和区3个阶段;将平衡区RGB色度空间的色度值c与水滴撞击特性的局部水收集系数建立关联.结果表明:平衡区的比色分布符合局部水收集系数相对驻点处β/β_m分布;不同位置c值增长曲线具有相似性,缩比时间尺度1/t_b分布符合数值仿真欧拉法β/β_m分布的定义;实验结果与数值仿真结果对比误差率小于10%.     

提高k-ωSST模型对翼型失速特性的模拟能力

采用CFD软件fluent,k-ω SST模型对S825翼型进行了二维数值模拟.针对k-ω SST模型对翼型分离失速特性模拟不准的情况,对分离区域内湍流的强非平衡输运特性进行了分析.研究表明:原始模型由于不能准确模拟分离区内湍流的强非平衡输运特性,导致其对翼型失速特性模拟失效;提出了通过修正模型系数a₁及β_∞^*,提高k-ω SST模型预测非平衡湍流输运特性的方法,从而提高对翼型失速特性的模拟精度.     

结冰风洞实验中的相似理论

相似性是风洞实验的一项基本要求，结冰风洞实验也不例外。为了系统性地研究结冰风洞实验中的相似性问题，首先，通过对飞行结冰问题进行分析和总结，找出了其中涉及的各种变量，并分析了其物理意义和量纲。其次，采用相似理论分析方法对结冰问题进行分析，得到了若干无量纲参数，并分析了这些无量纲参数的意义。再次，通过忽略一些不重要的影响因素，减少无量纲参数，并对飞行结冰中涉及的影响因素进行了合理地简化，最终得出了结冰实验的相似准则。最后，结合结冰风洞的运行参数，按照相似准则的要求得到了缩比模型结冰实验运行参数选取方法，并采用CFD方法进行了验证。结果表明:得到的缩比模型结冰实验运行参数选取方法是可行的。      

基于润滑理论的二维积冰数值模拟

将基于润滑理论的水膜-冰层模型推广到在任意二维截面上建立的正交曲线坐标系,得到描述二维型线表面水膜流动和积冰的偏微分控制方程.采用一种隐式-显式有限差分格式建立控制方程组的代数形式,给出求解非稳态控制方程组的数值方法.为验证模型和数值解法的有效性,在典型的航空积冰和传输线积冰环境下对翼型和传输线表面的积冰算例进行数值模拟.将水膜-冰层模型的冰形计算结果与传统Messinger模型的模拟结果以及冰风洞试验结果进行对比,低温明冰条件下采用当前方法计算的翼型表面冰形接近于Messinger模型的模拟冰形曲线;相对高温条件下的计算结果比传统Messinger模型更为精确.低速积冰环境下Messinger模型难以模拟的传输线表面积冰同样可以采用水膜-冰层模型进行有效 预测.     

Taylor-Couette流的DSMC数值模拟

使用圆柱坐标系网格的三维DSMC(Direct Simulation Monte Carlo)模型,对同轴圆柱间Taylor-Couette流中Taylor涡的形成进行了数值模拟,并分析了不同计算域和边界条件下稳定流场中Taylor涡的轴向排列结构.在网格设置和流场参数不变的情况下,使用轴对称DSMC模型对Taylor涡进行数值模拟,所得Taylor涡的稳定过程与三维结果一致,验证了使用三维DSMC方法来解决微尺度低速的稀薄气流问题的可行性.三维模拟结果表明Taylor涡以较大的圆周速度绕轴旋转,二维模拟则无法体现.对不同的内圆柱旋转速度进行数值模拟,确定了能够产生Taylor涡的临界速度值.     

二维翼型绕流的CE/SE方法

采用时空守恒元和解元CE/SE(space-time Conservation Element and Solution Element method)法,求解二维Euler方程,开展了翼型绕流的无粘数值模拟研究.用非敏感克朗数计算格式消除克朗数过小引起的数值耗散对解的污染,结合当地时间步长法,解决网格不均匀引起的当地克朗数变化跨度大的问题.对NACA0012翼型的无激波流场进行了二维数值模拟,并与AGARD算例做了对比.结果表明:CE/SE方法的计算结果与AGARD结果吻合得很好,为该数值计算方法对翼型绕流数值模拟的进一步应用奠定了基础.      

积冰对飞机纵向操稳特性的量化影响

提出了一种根据气象条件、飞机特征、飞行条件预测积冰对飞机飞行动力学特性影响的估算方法.采用热力学平衡分析方法完成了积冰增长过程的数学描述,利用逐步线性回归方法建立了结冰飞机的气动模型,计算得到了结冰飞机的气动参数,计算结果与试验结果吻合较好,表明这种方法具有一定的工程实用性.并在此基础上研究了不同部位积冰对飞机纵向操稳特性的影响,通过数值仿真计算得出,结冰飞机气动特性的急剧恶化会导致其纵向操稳特性显著降低,严重时会危及其飞行安全.      

翼型波浪水面巡航地面效应数值模拟

数值求解非定常不可压缩流动的雷诺平均N-S(Navier-Stokes)方程和标准k-ε湍流模型,用VOR(Volume Of Fluid)方法模拟波浪水面,模拟了NACA2410翼型在波浪水面上方飞行的流场.研究了余弦波浪水面的生成方法,选取合适的计算网格和时间步长,避免了在生成规则余弦波浪水面时由于数值耗散使波面形状衰减.比较了固壁波浪与水面波浪计算结果的差异,发现固壁波浪的结果更接近余弦曲线分布.研究了波浪等级对翼型气动性能的影响,分析计算结果发现:在规则的余弦水面波浪上方飞行,翼型气动力呈现周期性,给出了一个周期内气动力的变化过程,以及波长和波幅对气动力平均值和波动幅度的影响规律.      

积冰对飞机操纵性的影响与仿真

采用积冰程度参数描述积冰对飞机气动参数的影响;将积冰程度参数引入飞机六自由度非线性动力学模型,建立了随积冰严重程度而变化的时变飞机仿真模型,并以此为基础设计了高度保持模式和滚转角保持模式两种飞机自动驾驶闭环仿真系统.通过与飞行试验数据对比,验证了仿真模型的正确性.在一定的飞行条件和积冰遭遇情况下,对开环和闭环飞机的飞行进行了仿真计算和分析.仿真结果表明:积冰对飞机的配平特性、响应特性以及自动驾驶性能均造成不良的影响,对飞行安全构成了一定的威胁.     

加热器喷管热-流耦合传热分析

针对加热器喷管中复杂的气、固、液多相流动传热问题,建立了三维热流耦合换热计算模型,分别对燃气、冷却剂和喷管室壁建立不同的控制方程,将辐射热量作为源项加入到方程中,进行流动和传热的耦合计算.采用此方法对美国AEDC(Arnold Engineering Development Center)喷管的流动传热过程进行了计算,数值计算结果与试验结果吻合较好.在此基础上对某超燃冲压发动机试验台水冷式加热器喷管的换热问题进行了三维数值模拟,并定量分析了辐射换热对加热器喷管壁面温度分布的影响.结果表明:冷却水流量取2.0 kg/s时,加热器喷管气壁最高温度为660K,膜温度为430 K,加热器能可靠冷却,其热效率满足试验要求,对于含有H2O和CO2这样的高温燃气,辐射热量对喷管壁面温度分布有较大影响,必须引入到温度场的求解之中.     

仅地心矢量测量的卫星转对地定向姿态控制方法

摘要： 针对角速度过大且无其陀螺测量的姿态异常情况，开展仅依赖地心矢量的对地姿态快速恢复控制方法研究.基于地心矢量测量信息给出了天平角及天平角矢量定义，提出一种综合天平角抑制与能量耗散的对地姿态恢复控制方法；针对具有星体角动量偏置的闭环控制非线性系统，采用几何方法求解获取各平衡点，并由其特性分析表明通过参数合理选取可使得期望稳定对地姿态为系统唯一稳定平衡点；利用数学仿真方法验证了所提出方法的有效性.     

旋翼结冰模型与纵列式直升机平衡特性分析

为了研究纵列式直升机结冰后的飞行动力学问题,基于CFD(ComputationalFluid Dynam ics)技术提出了旋翼结冰的理论模型;基于旋翼冰风洞试验数据,考虑桨叶表面附着冰脱落及桨叶表面局部温度对结冰的影响,提出了旋翼结冰的工程模型.建立了纵列式直升机结冰后的飞行动力学模型,研究了不同飞行速度条件下结冰对样机CH-47B平衡特性的影响,分析了环境温度、结冰时间、液态水含量以及平均水滴直径对旋翼扭矩的影响.计算结果的对比分析显示:两种结冰模型在计算精度上基本一致,表明结冰模型合理,能够用来进行结冰后的飞行动力学分析,为纵列式直升机结冰后的飞行动力学研究奠定了基础.     

飞机旋转表面结冰数值模拟

在Shallow-Water结冰热力学模型的基础上, 搭建了一套适用于三维旋转表面的非稳态结冰模型, 采用Jacobi迭代法和Gauss-Seidel迭代法对表面结冰进行非稳态迭代求解。用所提模型对简化后的旋转桨叶模型进行计算, 并与FENSAP软件结果进行对比, 验证了所提模型的准确性, 分析了转速、水滴直径和液态水含量等因素对旋转表面结冰冰形和水膜流动的影响。结果表明:随着转速的增加, 结冰范围和水膜覆盖范围偏移愈加明显;结冰范围和水膜覆盖范围随水滴直径增长逐渐增加, 水膜厚度也逐渐增大;结冰厚度和水膜厚度随液态水含量增长而相应增加, 水膜覆盖范围也明显变大。