Euler方程数值模拟绕悬停旋翼桨叶的流动1)

本研究应用格心格式有限体积龙格-库塔时间推进法求解三维欧拉方程，模拟绕旋翼桨叶的流动.旋翼尾流的作用通过自由尾流分析来求解局部的诱导下洗速度以修正翼型攻角.选择O-H型式生成绕桨叶贴体的弦向和展向网格.通过算例计算为进一步寻求有效的Euler或NS方程数值解积累了经验.     

悬停状态下直升机旋翼水滴撞击特性研究

介绍了直升机在悬停状态下,求解旋翼水滴撞击特性的数值方法.该方法根据直升机悬停状态下的准定常特性,对旋翼运动模型进行简化,并在对绕桨叶运动的气流场计算的基础上,采用有限差分方法求解水滴运动方程,得到水滴运动轨迹.进而,确定了水滴对旋翼表面的撞击特性参数,为旋翼防冰系统设计提供条件.最后,对NACA0012翼型的水滴撞击特性进行分析.      

直升机旋翼积冰的数值模拟

为研究直升机旋翼桨叶积冰问题,通过对积冰形成机理和直升机飞行原理的分析,建立了基于CFD(Computational Fluid Dynamics)技术的直升机旋翼桨叶结冰预测的理论模型;采用欧拉法求解水滴控制方程,在经典Messinger模型的基础上提出了积冰表面质能平衡的改进模型;以UH-60型直升机和CH-47型直升机为样机,具体分析了积冰条件下直升机桨叶冰形预测的方法,为进一步研究直升机结冰后的飞行动力学问题及防除冰系统的设计奠定了基础,对提高直升机飞行安全性具有积极意义.     

气动热CFD计算的格式效应研究

通过对N-S方程的求解计算了二维圆柱绕流及三维绕钝双锥高超声速流动过程中的气动热问题.对于求解方程,在空间离散的格式上,选用了3种上风格式——Roe的FDS,Van Leer的FVS和AUSM+格式以及一种中心差分格式,将各种格式所得的热流结果与实验结果进行了比较.对于AUSM+格式,还应用了minmod limiter 和 双 minmod limiter 两种限制器,并对结果进行了对比.      

非定常N－S方程的线化及其差分求解

在微幅简谐振荡的假设下，对计算平面内非定常Ｎ－Ｓ方程进行了线比，并在ＭａｃＣｏｒｍａｒｋ于１９８０年提出的半隐格式的基础上，发展了一种适用于求解计算平面内线化Ｎ－Ｓ方程的差分格式．用该差分格式求解计算平面内的线化Ｎ－Ｓ方程时，可以避免求解五对角方程；且时间步长可以取得较大，计算效率高．     

联合射流控制技术的增升效果和机理

数值模拟联合射流翼型的绕流,研究联合射流控制技术的增升效果和机理.主控方程选为定常可压缩流动的质量加权平均N-S方程和S-A湍流模型,使用Fluent软件进行数值求解.计算结果表明,联合射流控制技术可以有效地减小翼型的零升迎角、提高翼型的最大升力系数和失速迎角.通过理论分析,揭示了联合射流控制技术的增升机理,即通过增加翼型上表面的流速从而增大绕翼型的环量,通过向边界层内注入能量从而延迟翼型大迎角下的流动分离.     

共轭梯度－快速傅里叶变换解齿状结构散射场

利用共轭梯度－快速傅里叶变换法（ＣＧ－ＦＦＴ）求解了谐振区齿状散射目标的雷达散射截面（ＲＣＳ）．通过共轭梯度－快速傅里叶变换求解电场积分方程（Ｅ－ＦＩＥ），给出齿状散射体的雷达散射截面．适当选取基函数和检验函数，将电场积分方程离散化，从而获致准确度较高的ＣＧ－ＦＦＴ实用程序，节省内存，提高了计算速度，缩短了计算时间．     

跨音速翼型的气动最优化设计方法

将计算流体动力学(CFD)与最优化技术相结合,通过数值求解欧拉方程,对翼型绕流流场作出了数值模拟.再利用几何、流动和最优化控制方程,反复迭代求得在一定约束条件下气动性能最优的翼型.本文以NACA0012为原始翼型,选取两种设计工况,都取得了满意的结果.     

带副翼的翼身组合体绕流的 Euler方程解

提出了一种求解带副翼偏转的翼身组合体绕流的Euler 方程计算方法.将对接分区网格与分区求解算法相结合,有效地求解了绕此外形的复杂流动.提出了一种满足通量守恒的内边界耦合条件.数值方法中选用Van Leer 分裂格式离散无粘通量项,并构造了一种限制器(Limiter)函数以保证TVD性质.数值算例表明本文方法是求解带操纵面偏转的翼身组合体绕流的有效方法.     

基于分段常值推力的水滴悬停构型控制策略

针对航天器编队飞行任务对相对运动控制的要求,研究了在分段常值推力控制下航天器受迫绕飞构型的设计与控制问题。首先,基于脉冲控制下的水滴悬停构型,提出了多段常值推力控制实现水滴悬停构型的打靶方程;将打靶方程转化为求解极值问题,采用最小二乘法来求解;分析了一段常值推力可行性。然后,以连续常值小推力控制方程为基础,推导了小邻域定理,分析了近距离相对运动条件下两段常值推力控制的可行性;针对可能出现求解精度差的问题,提出了小推力增量方程来修正精度,并证明在靠近理想解的情况下多次迭代可以趋近于理想解。最后,通过数值仿真实现常值小推力控制下的水滴悬停相对运动。数值仿真结果表明常值小推力控制策略可行,研究成果完善了航天器受迫绕飞构型设计与控制的相关理论,为工程应用提供参考。      

直升机前飞吊挂飞行动力学响应分析

建立了带吊挂载荷的直升机飞行动力学模型,其中旋翼诱导速度场计算采用了广义动态入流理论模型并添加了畸变项,用以考虑从加速过程的尾迹畸变和附加非定常效应;旋翼气动载荷模型采用了翼型大角度范围插值技术,并结合经典薄翼型理论建立综合的非定常气动载荷模型.还建立了六自由度吊挂载荷模型,其中吊索采用了柔性钢索模型,计入了吊挂模型的气动阻力.通过仿真计算分析了吊挂前飞状态下总距阶跃操纵输入以及前推杆阶跃操纵输入时直升机及吊挂动力学响应历程.     

气动力计算的积分技术讨论

讨论了"尾迹面积分法"的气动力计算方法及其改进技术.基于欧拉方程求解流场,通过对飞行器以外的一个控制体采用动量定理而得,是传统远场积分法的改进.在飞行器所在流场的下游一垂直于来流速度的截面上进行积分计算,得到升力、诱导阻力、激波阻力和总阻力.这种方法的优点是有利于外形复杂物体的气动力积分计算,并可将总阻力按产生的物理机理进行分解,以使设计师对飞行器的气动特点有更为明确的了解.详细讨论了影响这种方法计算精度和效率的多种因素及解决途径.各种数值模拟结果证明了该方法和改进技术的正确性和实用性.      

多单元直排塞式喷管发动机性能

为了了解优化设计的塞式喷管的性能及燃气流动中热力学参数变化对性能的影响,对比钟型喷管与塞式喷管的高度特性,从曲线坐标下的三维平均雷诺N-S方程和Euler方程出发,采用LU时间隐式格式、MUSCL空间离散方法,发展了模拟塞式喷管三维流场的数值程序.计算了从喉部圆转方内喷管的性能,比较了冻结和变化热力学参数对塞式喷管性能的影响及塞式喷管与相同面积比钟型喷管的高度特性曲线.计算结果可为塞式喷管的设计研制提供参考.      

动静干涉对涡轮转子叶片气膜冷却的影响

为研究动静干涉对涡轮转子叶片气膜冷却效果的影响,选取AGTB涡轮叶栅作为研究对象,匹配前排导叶并对整级叶栅进行非定常数值模拟。对不同时刻流场截面的流动情况以及叶片表面温度随时间的演化规律进行了详细的分析,此外,总结了尾迹和势干涉对下游叶片气膜冷却的影响。主要结论如下:导叶强烈的势干涉作用在幅值为12°的范围内改变下游叶片的入射角,对冷却射流有非常大的影响;尾迹和势干涉作用诱导冷却射流的"上扬"现象,并使其冷气流量增加20%以上,有利于提高瞬时的冷却效果;势干涉对前缘冷却射流的作用时间约为1/2个静子周期,尾迹的作用时间约为1/6个静子周期,前者作用时间长,且效果更强。受到输运效果的影响,整个叶片冷却效果的变化与气膜孔射流状态的变化不是同步的,滞后时间可达1/3个静子周期甚至更长。      

基于大变形梁模型的风力机叶片气动弹性分析

以水平轴风力机为研究对象分析其叶片大幅值气动弹性动态响应问题.基于非线性欧拉梁模型和风力机叶片动态入流、动态失速气动力模型进行气动弹性建模.气弹方程的动态平衡求解采用Newton-Raphson迭代,分别通过牛顿下山法和同伦沿拓法这两种数值手段改善其迭代收敛性,并对这两种算法的有效性进行比较,结果表明同伦沿拓法的收敛性相对较好.以两种典型的水平轴风机为算例,在额定工作状态以及某些极端风况下计算叶片动态响应.根据叶片根部弯矩载荷幅值定义系统是否达到临界稳定状态,并针对关停状态的风机研究了叶片临界风速与来流方向角的关系.结果表明,某些极端风况和工作状态下,风机叶片根部弯曲载荷较大,相应临界稳定的风速较低.     

自由涡数值计算的参数影响分析

介绍了自由涡方法中多个参数的影响,包括桨叶离散段数、有弯度翼型的涡网格密度、尾迹的长度.从桨叶根部到桨尖采用分区离散,内段区域离散稀疏,桨尖区域离散细密,根部区域的离散密度对计算结果影响不大,桨尖区域的离散密度对计算结果影响较大;采用涡网格模拟有弯度的翼型,涡网格的密度对计算结果有较大影响,但密度过大对于计算精度提高影响不大.悬停和小速度前飞状态,取9圈自由涡尾迹就能够得到较好的计算结果,爬升和大速度前飞状态下,取7圈自由涡就能够得到足够的计算精度.在上述参数中,自由涡圈数对计算时间的影响最大.      

有限体积法中面积分离散格式的精度分析

讨论了应用顶点中心格式对欧拉方程进行有限体积离散时的精度,详细推导了顶点中心格式在平滑网格和扭曲网格上的截断误差,同时与中心格式和顶点格式进行了比较.格式精度分析采用泰勒级数展开的方法.分析结果表明:顶点中心格式和顶点格式类似,总能达到至少是一阶的精度,并且可以通过加密网格的办法减少误差,而且顶点中心格式更适合于分区计算.通过圆弧亚音速绕流和NACA0012翼型绕流流场的数值计算,验证了分析的结论.     

一种框架误差推导的新方法

二自由度陀螺仪使用中存在框架误差不是一个新问题,以往推求框架误差表达式时过程繁,易出错,且没有与不同定义的欧拉角联系起来;原则上欧拉角组有12种,不同定义的欧拉角框架误差表达式不同。陀螺仪在运载体上有六种安装方式,文中介绍推导框架误差表达式的简易方法,它不因欧拉角定义不同而带来麻烦。     

欧拉—庞卡莱方程在“和平号”太空站姿态恢复分析中的应用

1997年因"进步号"飞船与空间站对接时发生意外碰撞而使得姿态失去控制,从而导致太阳翼无法朝向太阳而获得能量。使用欧拉方法和四元数方法建立运动学方程,通过欧拉—庞卡莱方程建立动力学方程来分析其姿态恢复的运动过程,研究得出太阳翼能够重新得到光照的可行性方案。