扩散界面浸入边界法结合壁面模型在湍流模拟中的应用

提出了一种模拟高雷诺数湍流的扩散界面浸入边界法（IBM）。该方法采用壁面模型来减少壁面附近的网格量。为了实施壁面模型和边界条件，在物面外部设置了2个辅助层（一系列拉格朗日点）：外侧的参考层用于实施壁面模型来得到壁面剪应力，内侧的强制层用于实施离壁的边界条件。在实施壁面模型时，将动量方程沿物面法向积分，从而把物面切向的速度修正量与由壁面模型得到的壁面剪应力联系起来，而速度的法向分量则按二次曲线分布来近似重构。在实施边界条件时，为了严格满足无穿透条件，应用了基于隐式速度修正的IBM。最后，利用绕平板湍流和绕NACA0012翼型湍流来对方法的可行性进行了验证。     

推力矢量型V/STOL飞行器动态过渡过程的操纵策略优化

针对推力矢量型垂直/短距起降（vertical/short takeoff and landing, V/STOL）飞行器的动态过渡过程模型,综合考虑过渡走廊限制、操纵冗余及不同起降任务需求指标,研究最优过渡操纵策略。考虑V/STOL飞行器的喷射气流效应,对飞行器进行全量动力学建模。利用可达平衡集方法,建立通用过渡走廊计算框架。设计了能够在V/STOL过渡段和高速飞行间平稳过渡的操纵方式。将推力矢量飞行器的动态倾转过渡过程转化为非线性动态最优控制问题,根据不同起降任务特点建立合理的指标和约束,采用直接转换法和序列二次规划算法进行求解,得出不同任务特点下的最优操纵策略与过渡过程。采用可达平衡集计算过渡走廊的方法,不仅不受飞行器类型的限制,更简化了构造过程,具有良好的通用性与鲁棒性。以光滑过渡为目标的优化结果使得飞行员在飞行器过渡过程中的操纵量变化大幅减小,从而使得飞行员能更加专注于对飞行器运动的操纵;以距离更短为目标的优化结果则使得降落过程的飞行距离缩短了30%左右。从操纵策略出发的优化结果使得驾驶员能够更好掌握操纵关注点及边界,增加了整个动态过渡过程的安全性。     

基于机器学习的非定常流场网格自适应

现有针对非定常流场数值模拟的网格自适应方法,通常每隔一段时间步就进行一次网格调整,增加了计算复杂度和精度损失。针对这一问题,本文基于间断伽辽金（discontinuity Galerkin, DG）有限元法提出了结合BPNN(backpropagation neural network)和MMPDE(moving mesh partial differential equation)的非定常流场网格自适应方法。该方法首先采用DG有限元法对Navier-Stokes方程进行非定常计算,得到统计意义上的网格间断量;然后以初始网格和间断量训练BPNN回归模型,用于预测任意位置节点的间断量;接着使用MMPDE变分法移动网格节点,使其符合统计意义的间断量分布;最终通过Laplacian网格平滑法保证网格单元质量。圆柱绕流非定常流场算例的验证结果表明,该方法能够在不改变网格拓扑结构和不增加节点数的情况下完成一次性网格自适应,显著提高了非定常流场数值计算的精度和效率。     

基于三维特征线理论的曲面激波流场反设计方法

激波流场反设计技术是高超声速乘波布局设计领域的核心技术之一。为了克服传统吻切理论在设计全三维曲面激波流场时的缺陷,本文提出了一种基于三维特征线理论的设计方法。该方法构造了一种包含四条马赫线和一条流线的三维基本单元,发展了用于设计曲面激波流场的阵面推进方法及并行加速方法。通过对Euler方程中微分算子进行特征分解,重构了流场的控制方程,并提出了适用于求解该控制方程的Tikhonov-Lagrange拟合法,实现了三维流场的稳定求解。利用提出的设计方法,分别对高马赫数圆锥激波流场、椭圆锥激波流场、小攻角来流下的圆锥激波流场及由Bezier曲面描述的一般性曲面激波流场算例进行了设计,并与数值模拟结果进行了对比。计算结果表明,当前设计方法实现了对横向压力梯度及攻角引起的三维流动效应的合理求解,其中典型截面的壁面压力及马赫数分布与数值模拟结果相比误差分别小于0.3%和1.7%,且具有较高的并行效率。该设计方法拓展了特征线理论在全三维激波流场反设计领域的应用范围,在高超声速全三维乘波布局设计领域具有重要发展前景。     

桨叶分段线性扭转对旋翼性能的提升

为研究桨叶沿展向不同位置的负扭转对直升机旋翼性能的影响,以各向异性复合材料中等变形梁模型为基础建立旋翼性能计算模型,实现在不同速度前飞时直升机旋翼需用功率的预测。理论预测与试飞数据对比一致,验证了本文分析模型的有效性。以UH-60直升机为样例,按翼型将桨叶沿展向分为内、中、外3段,从迎角和升阻比分布入手研究各段负扭对旋翼需用功率的影响效果和机理。整体上,直升机前飞速度越高,桨叶负扭的影响越明显。其中,内段负扭对旋翼性能有负面影响,但影响较小;中段负扭对桨盘上气流环境的改善起决定性作用,高速前飞时可使旋翼需用功率降低10%以上;外段负扭有利于降低需用功率,作用效果一般。通过遍历法得到了一组分段线性桨叶扭转方案,在各飞行状态时都优于线性负扭方案。     

0.6 m连续式跨声速风洞轴流压缩机布局方案研究

压缩机作为连续式跨声速风洞的驱动系统，其运转性能与风洞总体性能的匹配设计是风洞研制的关键技术之一。随着大型连续式跨超声速风洞的发展，压缩机研制呈现出运转功率大和运转效率高、调节范围宽和调节精度高等鲜明特点。基于0.6 m连续式跨声速风洞的研制，对大型跨声速风洞轴流压缩机的布局方案进行研究。从气动性能、结构设计、控制等方面对压缩机位置布局和方案布局进行了分析，并阐述了风洞压缩机一体化设计的重要性。在压缩机布置于第一、二拐角段之间的前提下，通过压缩机性能试验，验证了电机外置两端驱动方案、多台电机同步控制方案和压缩机内流道整流技术等的可行性。风洞调试结果表明，压缩机运行性能良好，各项指标均满足设计技术要求，为大型连续式跨声速风洞建设奠定了基础。     

制冷剂类型对机载蒸发循环系统性能影响

为给直升机机载制冷循环系统制冷剂的选择提供借鉴,首先以某直升机现有空调系统为例,依据其系统及部件参数,在VapCyc软件中建立制冷系统模型。然后选用不同制冷剂,改变冷凝器侧入口空气温度、冷凝器/蒸发器侧风量及压缩机转速,得到系统制冷系数(Coefficient of performance,COP)及制冷量。分析得到相同工况下,R134a与R1234yf的COP值相差不大且最高,R407C次之,R32与R410A结果相近且COP值最低;制冷量从高到低依次为R32,R410A,R407C,R134a和R1234yf。在机载制冷系统研究初期,应先满足系统制冷量的要求,故认为在选择机载空调制冷剂时,优先考虑R410A及R407C。另外,冷凝器侧风量、蒸发器侧风量及压缩机转速等参数对系统制冷量及COP均有较大影响,设计制冷系统时应慎重确定。     

气动推力矢量无舵面飞翼的飞行实验

为实现对无舵面飞翼姿态的控制，针对基本型旁路式双喉道气动推力矢量喷管提出了“单发倒Ⅴ双喷管”布局。随后对该布局的喷管进行测力实验，并且最终将其安装在飞行器上进行了成功试飞，并对采集到的飞行数据进行了分析。结果表明:喷管矢量角随喷管阀门开度基本呈线性变化，且无滞回性；安装该布局喷管的飞行器可以不通过舵面控制，仅仅依靠旁路式双喉道气动推力矢量喷管即可有效地控制飞行器姿态；对于所研究的飞行器，在滚转机动性方面，矢量控制与舵面控制效果相近，而对于俯仰机动性，矢量控制效果较弱；后续如果使用该布局喷管控制飞行器姿态时，应当增大两个喷管之间的夹角，将更适用于飞翼布局飞行器的操纵。      

旋转导弹模型非定常表面压力测试技术研究

为了获得旋转导弹模型表面复杂的压力变化，设计了一套嵌入式无线压力测量系统，该系统能够以1 kHz的采样频率对8个压力通道进行同步采集。该绝对压力测量系统的量程为30 PSI，静态测量误差小于5/10 000；在连接10 cm的测压软管后，系统的动态延迟小于1.16 ms，信号幅值衰减小于1%。利用该嵌入式的无线测压系统，在高速风洞中开展了模型表面压力测试，对旋转导弹模型的关键区域多点的表面压力进行了测量，获得了表面压力的动态特征。结果表明:所提出的非定常表面压力测试技术可同步多点测量旋转导弹模型表面压力，为开展相关旋转模型气动特性风洞试验提供了一种有效的非定常表面压力测试手段。