直升机典型城区环境流场计算与试验

首先，针对典型城区模型，在黏性非结构直角网格上求解了三维Navier Stokes（N-S）方程，并通过数值模拟计算了典型城区环境流场。其次，采用粒子图像测速（Particle image velocimetry，PIV）技术开展了城区流场测量试验研究。最后，通过对比试验与计算结果分析了典型城区流场特性。     

利用二、三维嵌套技术数值模拟复杂边界下的流场

通过数值模拟复杂几何区域和边界条件下二、三维嵌套紊流模型，获得了计算区域内任意一点的流场信息。这一方法克服了常规的单纯模拟二维或三维紊流控制方程组而无法获得准确的自由表面和三维紊流场的缺点，通过两者有机的结合，并采用动边界处理等先进的计算技术，得出了精度更高、更为合理的紊流场。该方法曾被用于三峡工程大江截流完成之后导流明渠通航的流场模拟中，计算结果合理可信，部分成果的精度也已得到了实测资料的验证，成果为导流明渠通航路线的选择提供了依据     

三维Euler方程的自适应八叉树结构直角网格算法

给出了三维自适应八叉树结构直角网格的生成方法，采用了以几何外形为基础的网格加细方法，并解决了网格生成过程中的若干难点，使网格生成更简便迅速，产生的网格更适合于Ｅｕｌｅｒ方程计算。在计算中采用以中心差分为基础的Ｊａｍｅｓｏｎ的有限体积法和以面为基础的通量计算方法，减少了工作量。在物面边界处采用通量分解的方法实现边界条件，简单易行。本文对前机身、单个及多个外挂等问题进行了数值实验。结果表明，计算与实验符合较好。     

三维非结构贴体直角网格的N-S方程数值模拟

基于八叉树数据结构,采用直接分层光顺的方法,解决了非结构直角网格在物面不正交贴体的难点,发展了任意复杂外形的三维非结构贴体直角网格,并且可以根据流场特征进行自适应处理。在此基础上采用最小二乘法对N-S方程进行了MUSCL有限体积法的非结构网格的粘性求解,提出了带约束边界条件的最小二乘法的处理办法。计算表明,三维非结构贴体直角网格的粘性求解,可以适应各种高超声速的复杂外形,计算结果与试验吻合较好。     

HLLC方法在三维非结构网格上的应用

以三维非结构网格的显式有限体积法为基础，采用格心方法以及基于近似黎曼解的二阶精度Godonov扩展方法求解三维Euler方程，使用HLLC(Harten，Lax，van Leer,Contact)近似黎曼解的方法计算网格单元边界处的守恒量通量。为了验证方法的可行性，利用三维解算器对NACA0012翼型绕流进行了数值计算，结果令人满意。在此基础上对某型弹的流场进行了数值模拟，取得了比较好的结果。     

二维有限元网格全自动生成

利用ＰＥＤＳ（ＰａｒａｍｅｔｒｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｓｉｇｎＳｙｓｅｍ）造型系统的几何，拓扑信息实现了二维有限元网格自动生成，在实现过程中，改进了Ｗａｓｔｏｎ三角化算法，把此方法应用到有限元剖分中，还利用了迭代的Ｌａｐｌａｃｉａｎ算法对网格进行了均匀化处理，另外，还提供了可靠，快速对网格编辑，局部细化的方法，最终使有限元网格生成完全自动化，而且速度快，质量好，密度易于控制。     

CFX在军机微小部件优化设计中的应用

针对某型飞机在跨声速飞行中出现垂尾方向舵的铆钉被吸出的问题,本文采用CFX 5.7对全机加细微尺度的扰流条构型进行了一定状态的精细数值模拟。详细分析扰流条改进前后的流场差异,对原来的扰流条改进设计,通过流场的变化判断改进设计是否达到预期目的。计算前处理的网格采用ICEMCFD 5.1网格生成器生成HEX六面体结构网格,网格规模为450万。由于跨声速流场是风洞试验和数值计算模拟的难点,为了准确地反映全机复杂流动的物理现象,本文数值模拟选取M a=0.95,4°迎角,SST湍流模型,二阶差分格式,采用小的物理时间步长在600个时间步以内即可获得跨声速流场的收敛解。通过对流场计算结果的详细分析,证实了方案优化设计的合理性和有效性。本文的计算是CFX 5.7对复杂构型细微尺度变化流场模拟的一个典型算例,充分反映了ICEM 5.1中HEX六面体结构网格对流场细微变化的捕捉能力和CFX 5.7全隐式求解器的良好鲁棒性和快速的收敛性。对于这种特殊部件细微尺度变化的流场模拟,风洞试验显得无能为力,只有通过高精度流体仿真软件来模拟优化设计的效果,为优化设计提供参考的依据。     

基于混合笛卡儿网格方法的可压流动数值模拟

以可压缩黏性流动的数值模拟为研究背景,发展了一套自适应混合笛卡儿网格(AHCG)方法以及基于有限体积方法的雷诺数平均Navier-Stokes(RANS)的数值求解方法.为更好地模拟边界层的黏性流动在近壁面处采用贴体结构网格,剩余计算区域自动生成与之相重叠的笛卡儿网格,并同时发展了基于流场特征的笛卡儿网格自适应技术.结合ADT(alternating digital tree)算法显著减少了网格生成中“挖洞”和“贡献单元”搜索的消耗机时,50万左右的网格数目下,搜索耗时为0.062s,仅为普通遍历方法的1/1847.通过二维圆柱与两段翼型绕流的数值算例显示,定常AHCG方法能够准确地预测物面压力分布与升阻力系数并且具备处理复杂外形的能力;同时通过二维非定常圆柱绕流问题与NACA0015矩形机翼翼尖尾涡的捕捉算例显示,结合了动态自适应网格加密的非定常AHCG方法尤其适用于旋涡主导流动.      

J2项摄动条件下线性化的编队卫星动力学方程

考虑J2项摄动力对参考卫星轨道的绝对影响和对伴随卫星轨道的相对影响,应用拉格朗日方法,在笛卡尔坐标系下,给出了一组考虑J2项摄动的线性化的编队卫星相对动力学方程。该方程考虑了J2项摄动力带来的相对运动平面内外的耦合和短周期项的影响,有效地提高了相对动力学模型的精度。仿真结果表明,该方程组可有效地描述J2项摄动条件下编队卫星的相对运动,其误差只有二体非线性模型的10%,利用其设计的水平圆编队半径的相对误差不超过1%,并且由于是线性化的微分方程描述,可方便地应用到编队卫星导航、制导与控制系统的设计中。     

惯性参数不确定的自由漂浮空间机器人自适应控制研究

针对自由漂浮空间机器人系统惯性参数不确定问题,提出一种笛卡儿空间内的自适应轨迹跟踪控制方法。采用扩展机械臂模型建立了自由漂浮空间机器人关节空间动力学方程,进而推导笛卡儿空间中的自由漂浮空间机器人动力学方程。在基于逆动力学法的自由漂浮空间机器人自适应控制器设计中,利用标称控制器离线固定控制参数与补偿控制器在线补偿方法,既可以保证惯量矩阵可逆,又可以使控制参数实时估计。采用Lyapunov方法的稳定性分析表明系统是稳定且渐进收敛的。最后,应用该控制方法对两杆平面自由漂浮空间机器人进行了仿真研究。仿真结果显示自由漂浮空间机器人末端执行器在笛卡儿空间具有良好的轨迹跟踪能力。