轴对称降落伞小迎角稳定下降时流场特性

根据降落伞的特点,通过伞衣零厚度假设、伞轴对称假设和流场定常假设,建立轴对称降落伞的流体力学计算模型。在0°~5°的小迎角范围内,求解RNG(Renormalization Group)k-ε湍流模型下的N-S方程组,获得与有关单位试验相吻合的数值模拟结果。分析发现0°迎角时轴对称降落伞截面流场中鞍点与鞍点直接连接的状态是不稳定的。随着降落伞迎角增大,奇点类型和奇点间的连接方式将发生改变,降落伞物面附近的涡环里将出现极限环,截面流场中将出现新的鞍点和结点。迎角继续增大,极限环的面积将会减小直至消失,结点将附着在物面上,成为半结点。结果表明小迎角范围内降落伞截面流场的拓扑结构符合拓扑规律。文章揭示了小迎角范围内轴对称降落伞稳定下降时流场特性的演变规律,为进一步研究降落伞流场的流动机理和流固耦合问题打下基础。     

对称面圆周角对轴对称降落伞流场特性的影响

根据降落伞的特点,通过3点假设(伞衣薄膜、伞的轴对称和流场定常),将三维复杂流动问题转化成二维轴对称问题,以节约计算时间.定义对称面圆周角,保持伞衣幅底部直径和顶孔直径不变,选取对称面圆周角在80°~140°范围内变化,建立一系列轴对称降落伞的计算模型.利用数值模拟手段,求解RNG (Renormalization Group)k-epsilon湍流模型下的N-S方程组,获得与有关单位试验相吻合的计算结果.分析发现对称面圆周角和伞衣幅高度对降落伞阻力影响很小.算例中阻力随对称面圆周角的变化在±0.28%以内.对称面圆周角的变化对轴对称降落伞尾流区流场的拓扑结构没有影响.对称轴上存在2个鞍点,随着对称面圆周角的增大,第1个鞍点的位置几乎不变,第2个鞍点的位置向尾流方向推移.      

降落伞开伞过程的多结点模型仿真

根据降落伞的结构和力学特征,在轴对称假设下创建了伞衣及回收物系统的多结点结构模型.通过考虑应力,重力和气动力的作用效果,建立了用于无气流攻角平面圆形降落伞充气模拟的多结点结构模型动力学方程组.对开伞过程中的流场变化引入准定常假设,利用simple算法数值模拟求解RNG(Renormalization Group)k-ε湍流模型下的雷诺平均N-S(Navier-Stokes)方程以获得选定时刻的伞衣表面压力分布.结合多结点模型动力学方程组的解算代码和计算流体力学程序,采用流固耦合的方法对选定的平面圆形降落伞模型的开伞过程进行了动态仿真,得到了开伞过程中降落伞外形和特性的变化.通过结果分析和比较,证明了多结点模型的可行性,发展出了一种用于降落伞流固耦合计算的新方法.      

前体尾流对降落伞工作性能的影响

为研究前体尾流对降落伞工作性能的非定常影响，基于Realizablek-ε湍流模型采用PISO算法开展了物伞系统的非定常绕流数值计算，获得了精细的流场旋涡结构。在此基础上，研究了不同拖曳比下物伞系统的尾涡演变规律、流场分布规律以及伞衣气动特性变化。结果表明:前体尾涡导致伞衣入口处的涡量大小和方向时刻变化，随拖曳比增加，涡量黏性耗散增强，进入伞衣的旋涡强度逐渐减弱，伞衣入口形成稳定的负涡量区，伞衣尾涡脱离周期随之延长；拖曳比对尾涡区后端（伞衣入口处）流场压力的影响远大于前端，随拖曳比增加，流动形式逐渐由闭式转变为开式，流场的速度分布和压力分布更为对称，伞衣入口形成稳定的正压区，内外压差增加；当拖曳比大于9时，前体尾流对降落伞阻力系数和表面压强系数的影响减小。      

利用七孔探针对降落伞流场的试验测量研究

采用风洞设备,利用七孔探针对无伞顶孔的平面圆形伞的绕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,获得了伞衣周围的速度及压力分布情况;并对其进行了流场分析,得到无伞顶孔平面圆形伞充满状态下的流场拓扑结构,和沿伞衣径向的压差分布情况。该方法解决了降落伞流场无法定量测量的难题,为降落伞气动性能的分析提供了很好的技术方案。     

降落伞流固耦合问题的数值模拟和流场分析

提出了基于压力耦合的半隐式算法,即SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)算法和生成阶梯网格方法的对稳定下降阶段的降落伞进行数值模拟的新方法.此方法在降落伞流固耦合计算中具有较好的稳定性和较高的效率.对降落伞稳定下降阶段的流固耦合问题进行了数值模拟.降落伞模型分别采用了圆形伞和锥形伞稳定下降时的结构数据,并对锥形伞模型进行了不同来流攻角情形下的模拟.与平行有限元方法相比,采用SIMPLE算法的新方法得到了更准确和更合理的结果.此新方法可以作为传统数值模拟方法的一个可靠替代和重要补充. 　　      

CARET进气道亚音速气动特性研究

通过对一种Caret型进气道进行试验与流场数值计算研究,给出该型进气道亚音速的基本气动特性.在低速情况下,进/发匹配点处由于流量系数较大,管道内往往存在分离,这是总压恢复降低的主要原因.试验表明在进气道出口的左上角存在低能量区,而数值计算显示在进口外下角处首先出现流动分离,分离在管道内发展时并未沿周向旋转.      

贮箱增压孔板流量系数仿真研究

数值模拟方法是研究流体流场特性的有效手段之一，采用流体仿真手段，根据仿真实验数据，找出适合计算孔板流量系数的湍流模型，通过仿真等效直径、组合工况下同一孔板的流场分布，分析其实验数据并拟合其流量系数变化曲线，对实际流量试验有一定的参考价值。     

直升机发动机入口绕流的数值模拟

对直升机发动机入口处流场采用有限体积法,通过生成贴体结构化网格求解Navier-Stokes(N-S)方程, 进而对MI-171直升机低空悬停和前飞状态进行数值模拟,计算了该型直升机发动机进气道处的流场特性.然后以广义尾流入手,并引入尖涡涡核作用的半经验修正的旋翼自由尾流模型对该机发动机进气道处流场进行计算分析.对沿发动机轴线剖面以及垂至于该轴线剖面的分析结果表明,CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟方法与旋翼自由尾流分析方法均可以对涡诱导流场进行预测.     

战术导弹横向喷流数值模拟

为了研究喷流对导弹不同升力面的干扰影响,通过数值求解N-S方程来模拟超声速外流场中横向喷流的干扰流场,采用分块对接网格和"O"型网格技术,精确模拟喷口截面及弹翼形状,生成高质量的贴体计算网格.通过几种升力面和弹身组合的超声速横向喷流干扰流场的数值模拟,计算的马赫数为2和4.5,计算结果显示具有升力面的喷流干扰比光弹身的喷流干扰大.研究和分析了喷口附近流场的涡系结构和波系结构,并将导弹喷流干扰力放大因子及喷流引起的压心变化的计算结果与目前国外公布的试验值进行比较分析,二者显示了良好的一致性.     

降落伞拉直过程的多刚体模型

采用多刚体模型研究了降落伞的拉直过程。在动力学模型中将引导伞、伞包、拉出的伞绳及回收物处理为开链式多刚体;在仿真算法中提出了求解绳段间约束力的n阶递推算法。利用该模型可以研究降落伞拉直过程中的“绳帆”现象。     

基于凯恩方程的无人机伞降回收动力学建模与仿真

在无人机的伞降回收过程中,无人机与降落伞一直都处于实时的动平衡状态,两者在伞降回收过程中的耦合关系及其复杂,因此很难建立精准的无人机伞降回收动力学模型。针对该问题,将伞降回收系统划分为降落伞和无人机分别进行处理。针对时变对象降落伞,通过阻力面积随充气时间的变化关系建立其动力学模型。针对无人机,首先,基于多体动力学思路,将其划分为左右机翼和机身的多体系统,通过平板绕流系数优化其伞降过程中的大迎角动力学模型;然后,通过偏速度矩阵将各体的动力学模型引入伞降回收系统质心;最终,基于凯恩方程推导并建立了伞降回收系统六自由度模型,并引入海拔高度和风力对无人机伞降回收的影响。通过数值仿真与实验数据的对比,可以发现两者具有较好的一致性,该动力学模型能够为无人机的伞降回收提供指导。      

降落伞充气环境对充气性能的影响

在降落伞轴向和径向动量方程的基础上进行一些合理的简化,并结合其他经验公式基本描述了降落伞整个充气阶段的运动过程。运用简化的模型初步分析了在不同大气密度、初始开伞速度下的充气环境对降落伞充气时间、充气距离,伞绳最大拉力的影响。得到的结论对火星降落伞设计及降落伞充气试验的环境模拟有一定参考意义。     

半球形伞流固耦合工程算法

降落伞流固耦合模拟非常难以实现,而一些工程设计任务要求迅速高效地完成.为了适应该要求,针对稳定下降阶段的半球形伞,提出了一种流固耦合工程算法.以轴对称伞形为伞衣初始形状,通过流场模拟得到结构模拟所需的伞衣压力系数分布,通过结构模拟得到新的伞衣外形,如此循环,直到伞衣中幅线和伞绳外形趋于稳定为止.结果表明,伞衣外形能迅速收敛,该方法能满足工程设计要求.     

火星盘缝带伞跨声速风洞试验研究

火星着陆器在进入减速着陆过程中降落伞是必需的气动力减速装置,然而火星大气的特殊性使得火星降落伞开伞工作时具有超声速、低密度、低动压的特点,因而火星降落伞的构型、参数选择非常关键。文章在对火星盘缝带伞进行理论分析和国际应用研究的基础上,选取四种典型结构参数的盘缝带伞型,即常规透气量和低透气量的探路者型和海盗型伞型,在中国国内首次进行了亚-跨声速风洞试验,对这四种伞型在亚-跨声速下的阻力特性和稳定性开展研究。风洞试验采用横梁式测力天平测量阻力,同时用影像设备观察伞的摆动角度。研究结果表明,盘缝带伞的跨声速段阻力系数与理论值基本相符,能够满足火星环境下的减速需要;盘缝带伞随阻力系数增加稳定性降低,设计中必须兼顾考虑。     

降落伞系统附加质量的研究

降落伞在减速系统中已被广泛地运用，但是其运动方程的确立，尤其是方程中的附加质量项，在中国却少有提及，为了弥补此点不足，文章对附加质量进行了较全面的阐述，从概念引入，在方程中的运用，确定方法及变化规律，到对稳定性的影响分析，对于降落伞此类轻质的，柔性的钝体，附加质量受到多种因素的影响，其规律可由试验数据得出，而由根轨迹图分析可知，附加质量对稳定下落时的降落伞系统稳定性有着重要影响。