高超声速热化学非平衡对气动热环境影响

高超声速气动加热严重,考虑热化学非平衡对气动热环境影响,可以为热防护系统设计提供有效保障。采用Park和Gupta热化学非平衡模型,数值计算研究5组元(N_2,O_2,N,O,NO),17组化学反应的热化学非平衡效应对高超声速飞行器气动热环境影响,并与完全气体和热化学平衡模型进行对比分析。热化学非平衡模型流场温度及激波距离均比完全气体模型小。激波后气体密度因离解、化学反应而增大,且气体密度越大,激波距离越小,热化学平衡模型激波距离最小。完全气体和热化学平衡模型热流载荷计算值均比实验值偏大。Park和Gupta热化学非平衡模型数值计算激波距离及气动力载荷差别小。Park模型热流载荷计算值偏大,Gupta模型与实验结果相符,它可对气动热环境可靠预测。     

电离对高超声速热化学非平衡气动热环境的影响

高超声速飞行,激波后高温气体会发生电离,飞行器气动热环境复杂。5组元（N₂,O₂,NO,O,N）、7组元（N₂,O₂,NO,O,N,NO+,e-）和11组元（N₂,O₂,NO,O,N,N₂+,O₂+,NO+,O+,N+,e-）热化学反应采用Gupta化学反应模型,分别数值研究电离作用对高超声速热化学非平衡气动热环境影响。本文分析了不同催化壁面条件下,高超声速热化学非平衡电离流场气动热环境特性。电离作用对激波离体距离和气动力载荷的影响很小。5组元热化学非平衡不考虑电离作用,流场温度和壁面热流密度偏大。11组元热化学平衡强电离流场温度最低;7组元热化学非平衡弱电离流场NO+和e-生成量过低;11组元热化学反应能对热化学非平衡电离流场气动力和热流密度载荷可靠预测。壁面催化作用会增大壁面热流密度,但它对高超声速热化学非平衡电离流场温度和气动力载荷的影响很小。      

高超音速化学非平衡流的隐式格式迭代解法

针对高超音速化学非平衡流计算中的隐式TVD格式给出了一种迭代解法.该方法是在原有的Harten-Yee格式基础上,在每一时间步对无粘部分进行迭代运算,目的是为了加速收敛.借助对模型方程的收敛性分析,证明该迭代算法是收敛的.二维数值实验表明该方法对于高马赫数时的化学非平衡流能明显提高隐式格式的计算效率,其计算结果是满意的.     

带落角约束的新型二阶滑模三维制导律

针对导弹在三维空间中攻击地面机动目标问题,提出了一种带落角约束的三维有限时间制导律。为提高收敛速度和抑制抖振现象,基于非齐异快速终端滑模面和二阶滑模控制理论设计了含耦合项的非奇异快速终端二阶滑模三维制导律,设计过程中无需对系统模型作线性化处理并且避免了奇异问题的出现。针对目标机动信息和视线角耦合带来的总扰动,设计了非齐次干扰观测器进行估计并补偿。并对制导律的稳定性和有限时间收敛特性进行了严格的数学证明。仿真验证了本文提出制导律的有效性和优越性。      

无振荡、无自由参数格式在三维太阳风流动数值模拟中的应用

从快速、有效地进行空间天气数值预报的需要出发,针对1998年5月份行星际太阳风暴事件,采用全三维流体力学(HD)模型进行数值试验,考察了无振荡、无自由参数(NND)格式在三维太阳风流动数值模拟中的应用.计算中内边界的密度分布由观测K日冕数据来确定,由此得到的源表面密度分布具有和源表面电流片相似的结构.数值试验表明: 虽然该格式不需要加入人工粘性,但是具有很好的计算稳定性.在扰动计算时激波间断耗散小,在三维任何方向上间断所占的网格数比较少,没有数值色散现象.      

非结构三角形网格的一个ENO型有限体积方法

基于双曲型守恒律方程,对非结构三角形网格给出了一种ENO(Essentially Nonoscillatory Scheme)型有限体积格式,方法的主要思想是先对每一个三角形单元构造一个加权的二次插值多项式,而在计算交界面的流通量时采用了两点高斯积分公式以保证格式的整体精度,时间离散采用三阶TVD Runge-Kutta方法.最后给出了该格式收敛的数值阶,并对前台阶问题进行了计算.      

高超声速三维化学非平衡流动的数值模拟

高温非平衡化学反应对高超声速再入飞行器绕流流场的气动热特性有较大影响.通过采用有限体积NND(Non-oscillatory, containing No free parameters and Dissipative scheme)格式求解三维N-S方程,分别计算了小攻角条件下球锥的完全气体粘性流场和化学反应非平衡气体流场.比较并分析了化学非平衡作用对三维高超声速钝头体绕流流场的影响.所得结果与国外文献结果符合的较好,证明了计算方法与程序的有效性和实用性.      

高超声速飞行器自适应切换控制及稳定性分析

针对高超声速飞行器巡航段控制问题,构造自适应切换控制并对闭环稳定性进行了分析.高超声速飞行器动力学模型具有非线性、多变量和开环不稳定的特点.首先给出动力学模型局部线性化的方法,并设计自适应切换律和非线性反馈控制.进而给出全局稳定性分析结果,证明在所设计自适应切换控制下,闭环系统指数收敛到状态原点附近一个小邻域内.     

多冲量近圆轨道交会的快速打靶法

交会对接是空间站工程中一项非常重要的技术.对于给定的交会对接任务,设计可行的变轨策略,找出简单的计算变轨参数的算法是十分必要的.将高斯变分方程在参考轨道附近线性化得到一组线性化的轨道根数偏差方程,将该偏差方程的解作为二体模型解的初值进行轨道根数打靶,然后将所得到的二体模型的解作为摄动模型解的初始进行打靶.结果表明该迭代算法能很快收敛到摄动模型下的交会对接解.     

一种高超声速滑翔再入在线轨迹规划算法

为了提高滑翔再入飞行器响应动态任务的能力并提高其制导系统的鲁棒性，建立了高超声速滑翔再入轨迹规划问题的一种在线求解算法。该算法以一列凸子问题来逼近原问题。通过选择以弧长为自变量并引入对数速度代替速度作为状态，使得动力学方程的非线性大为减弱，同时使动压和热流约束完全成为线性约束。通过使用类似于混合整数规划中割平面的思想处理禁飞区约束，尽可能避免了不必要的计算。通过直接以气动系数和大气密度的乘积作为控制量，构造伪线性控制模型，进一步减弱非线性。非凸约束被适当松弛，以保证子问题的可行性。为了避免过度松弛，利用离线给定的高度和速度上下边界估计对应的参数，以加速收敛。以X-33再入任务为例验证了所提算法的有效性。该算法可以以简单的常值函数为初值并在数次迭代后收敛。      

稳定因子对FDTD数值计算的影响

讨论了FDTD(Finite-Difference Time-Domain)迭代计算中稳定因子的作用.推导了含有稳定因子的二阶Mur条件修正式,并以线源为例研究了稳定因子对吸收边界性能以及数值稳定性的影响.在三维计算空间中以软激励源形式加入平面波,计算了稳定因子不同时散射场区的RCS以及收敛性能的变化,结果表明在满足数值稳定条件的前提下,增加时间步长对计算更为有利.      

超声速进气道可压及不可压流动数值模拟

采用Chio-Merkle预处理矩阵对可压NS(Navier-Stokes)方程组进行时间预处理,分析了预处理方法的物理和数学背景.用有限体积方法,结合LU-SGS(Lower-Upper-Symmetric-Gauss-Seidel)隐式时间积分和AUSM+(P)(Precondition Advection Upstream Splitting Method)格式、中心差分2种空间离散格式,求解该预处理NS方程组.通过圆弧凸包流动和二维方腔顶盖驱动流动的数值试验表明,该方法克服了传统时间迭代方法模拟低速流动时的刚性问题,加速了收敛过程,可以同时有效地模拟可压及不可压流动.用此方法与块结构化网格技术相结合,进行了在不同飞行马赫数、攻角和出口反压条件下,混压式轴对称超声速进气道三维流场数值模拟.计算结果表明:该方法能准确地捕获复杂激波系,清楚地揭示进气道三维流动现象;进气道性能随工作条件的变化规律,与理论分析一致.      

基于光电编码器的电机变周期速度观测器设计

针对光电编码器在伺服系统应用中速度估计易受系统振动干扰和存在量化误差的问题,设计了一种基于变采样周期观测器的速度估计算法.通过观测器的积分运算抑制振动干扰;通过采样周期和光电编码器脉冲的同步,使量化误差最小;为了减小观测器离散域极点变化对算法性能的影响,保证变周期观测器在较大速度范围保持较高精度,给出了一种观测器增益系数的计算方法.实验表明该算法可以在保证动态性能的同时,有效抑制振动和量化误差引起的估计误差,提高速度估计精度.      

谐波平衡法在低速非定常流模拟中的应用

谐波平衡法是一种有效的周期性非定常流的计算方法.采用基于可压缩流的谐波平衡方程在计算低速不可压流动时,会由于对流通量计算格式中的数值粘性污染,降低解的精度和收敛性.采用预处理技术,使得基于可压缩流的谐波平衡方程可以直接用于低速周期性非定常流的计算中.选取典型的不可压方腔驱动流和低雷诺数圆柱绕流为例进行了时间推进法和谐波平衡法的计算对比.计算结果表明预处理后的谐波平衡方程适合于低速流的计算,在谐波平衡法中采用较少阶数的谐波计算就可以还原出几乎准确的非定常流场.     

电磁轴承电磁铁单边工作控制方式的实现

由于电磁力与位移及励磁电流的强非线性,使电磁轴承AMB(Active Magnetic Bearing)系统精确建模比较困难,较高的偏置电流增加了系统的功耗,系统的高刚度与大范围稳定又是一对矛盾体.为此,在建模型时,以电磁力为控制量,将电磁力计算公式、电磁铁及功率放大器集成为电磁力构件,避开了电磁力非线性的影响;在基础电流为0.2 A时,采用电磁轴承单边的工作方式,实现了系统的高刚度;以模糊控制方法解决了系统高刚度与大范围稳定的矛盾.仿真与试验表明:以电磁力构件的方式构造电磁轴承模型有较好的精度,采用单边的工作方式降低了系统的功率损耗,采用模糊控制方法实现了系统大范围稳定小范围内高刚度.      

基于快速自适应超螺旋算法的制导律

针对地空导弹攻击机动目标的制导律设计问题,提出了一种有限时间稳定的新型二阶滑模制导律。在弹目相对运动模型的基础上,将制导问题转化为一阶系统的控制问题。在超螺旋（ST）算法中引入线性项和一种新的参数自适应律,提出了一种快速自适应超螺旋（FAST）算法,该算法不需要已知系统不确定性的边界且收敛速度较快。利用类二次型Lyapunov函数证明了系统有限时间稳定性,给出了收敛时间估计公式。通过与自适应滑模制导律、ST制导律和光滑二阶滑模制导律的仿真对比,验证了所设计的制导律在保证制导精度的同时,能够在有限时间内提高滑模变量的收敛速度,并且避免了参数选择困难的问题。      

求解跨音位流问题的改进SIP方法

本文研究Sankar提出的,用全位势方程求解跨音流场的强隐式方法(Strongly Implicit Procedure)。针对强隐式方法在求解跨音流场中的问题作改进,即采用了新的人工压缩密度计算方法,计算绕孤立机翼、叶栅通道的跨音流场,降低了在跨音位流计算中激波前后的数值振荡,并提高了算法的稳定性,     

Reissner型矩形板分析的U变换-有限元法

将U变换法推广应用于Reissner矩形板的有限元分析中.对原结构进行等效变换,形成周期循环的板单元,使刚度矩阵成为循环矩阵,应用双重U变换解耦了有限元的矩阵方程,使有限元计算只须在一个板单元上进行,并且仍能方便分析整个板的一般分布载荷.所发展的U变换-有限元法不仅提高了计算效率,很快收敛于精确解,对于简支板还给出了精确分析的有限元解、准确的误差估计表达式和收敛速度,可以直接掌控计算精度,这是其它方法难以得到的.对简支和固支矩形板的数值算例及与其它方法的对比说明了U变换-有限元法的优点和重要的工程实用价值.