高超声速飞行器流动特征分析

在非流线型构件或突起物的扰动效应、高马赫数和低雷诺数极限效应、低湍流度环境效应和由激波或摩擦导致的气动加热效应等4个方面的影响下,未来高超声速飞行器涉及的流动主要表现出这样的特点:典型流动结构强度高、尺度大,如强激波和厚边界层;局部流动结构数量多;激波、膨胀波和边界层结构之间相互干扰十分严重;转捩、压力脉动和一些流动结构对细微因素非常敏感;压力、摩擦应力和热流峰值现象普遍;升阻比屏障难以突破;流场同时依赖大量无量纲参数和有量纲参数,导致实验模拟难度大。本文在回顾传统高超声速流动主要流动现象的基础上,对上述7个方面涉及的典型流动现象的基础研究现状、问题本质和因果关系进行综合描述,讨论如何更有效地面对基础研究和工程实际问题。该文既可为解决典型流动现象中尚未解决的基础研究提供帮助,也可为如何合理地利用有限的已知知识解决工程应用问题提供指导。     

小型无人倾转旋翼机气动与操纵特性试验研究

由于倾转旋翼机飞行模式多,各部件气动干扰复杂且操纵面冗余,特别是倾转过渡模式,短舱带动旋翼系统倾转,结构布局发生改变,从理论上确定气动与操纵特性难度大。为了研究倾转旋翼机的气动与操纵特性,对某小型无人倾转旋翼机展开全尺寸、全模式吹风试验,其中不带动力试验主要用于研究倾转旋翼机在不同迎角、短舱倾角、前飞速度等飞行状态下的气动特性;带动力试验主要用于研究倾转旋翼机不同飞行模式带机翼与不带机翼时,旋翼/机翼/襟副翼相互干扰作用,以及总距、副翼、升降舵的操纵功效。根据试验数据推导出小型无人倾转旋翼机全包线飞行的操纵特性方法,对进一步完善倾转旋翼机设计以及试飞试验的成功提供了参考。     

直升机的气动弹性问题

直升机的气动弹性问题与固定翼飞机不同,不仅要考虑单片桨叶,更要将旋翼视为一个整体,考虑其动态入流、尾迹影响以及旋翼与机身之间的相互耦合等。就单片桨叶而言,在结构动力学上,需要考虑离心力场、几何非线性以及桨叶的非线性挥舞-摆振-扭转耦合;在气动力上,需要考虑动态入流以及桨尖处可能的失速效应,本质上属于非线性气动弹性力学范畴。由于旋翼气动力通常是以周期形式通过旋翼轴传给机身,并引起机身振动,而机身运动又通过改变桨叶根部形态反过来影响旋翼的气动弹性特性,这种旋翼/机身耦合问题,也是近年来直升机气动弹性问题研究中的重要方向和热点之一。此外,随着旋翼流场数值分析方法的日趋成熟,采用动态重叠网格或滑移网格方法来实现桨叶运动,并通过动网格技术来实现桨叶的弹性变形,从而实现弹性旋翼流场的数值模拟,目前正呈现出勃勃生机,成为直升机气动弹性研究的又一重要方向和热点。随着各种新构型直升机的相继出现,如倾转旋翼机、前行桨叶概念旋翼(ABC)直升机和复合式直升机等,也带来了新的气动弹性问题。不断发现问题、解决问题,推动本学科持续发展,永远是气动弹性工作者终身奋斗的目标。     

基于响应面法的短距/垂直起降飞机近地面升力损失

建立了短距/垂直起降(S/VTOL)飞机近地面升力损失的流场计算模型.通过数值模拟得出特定升力布局的飞机近地面状态各工况的升力损失.采用响应面法获得了飞机升力损失关于喷管落压比（NPR）、来流速度及飞机高度的2阶响应曲面函数及显著影响飞机升力损失的关键因素.并分析了喷管落压比、来流速度及飞机高度对飞机升力损失的交互影响作用,优化得出给定工况范围内升力损失最小的工作点.研究表明:仅考虑单因素影响时,升力损失随高度、落压比的增大而减小,随来流速度的增大而增大;考虑两因素交互作用时,高度与落压比及来流速度与落压比对升力损失存在交互影响,而高度与来流速度对升力损失无交互影响;优化获得的升力损失最小的工作点是飞机距地面高度为9D（D为喷管直径）、喷飞机高度为3、来流速度为0m/s,此时的升力损失为1.3%.      

液体火箭发动机充液导管流固耦合动力学特性

为了深入研究流固耦合（FSI）作用对液体火箭发动机充液导管频率特性的影响,采用传递矩阵法(TMM)建立了空间导管流固耦合动力学计算模型.针对真实发动机导管开展了传递矩阵模型与传统基于附加质量的有限元(FEM)（非耦合）模型仿真计算以及模态试验验证,比较了管径、壁厚等结构参数对导管流固耦合作用的影响.结果表明:在流固耦合作用下,导管各阶谐振频率减小、而对应的流体振荡与结构振动幅值增大.管径对导管低阶频率特性的影响较壁厚对其影响更大.对于该算例,当管径大于设计值30%后,耦合作用引起的1阶频率误差高于10%,此时流固耦合不能忽略;而壁厚对1阶谐振频率的影响则小于8%.      

适用于倾转旋翼机气动分析的新型嵌套网格方法

为克服围绕复杂倾转旋翼机生成高质量一体化结构网格的困难,将分块网格策略与嵌套网格方法融合,提出并建立了一套适用于倾转旋翼机气动干扰分析的新型嵌套网格生成方法。该方法中,将整体网格按照倾转旋翼机结构特性进行了分块生成,在保证插值精度的基础上降低了网格规模。为高效连接不同部件网格,首先,引入Inverse Map方法来辅助部件网格定位,采用新颖的多向投影方法保证了部件间洞边界的连续性;其次,基于独立挖洞嵌套策略完成机身与背景网格的组合,并使用了相应的辅助计算坐标进行背景边界网格标识。在贴体网格区域采用基于S A（Spalart Allmaras）湍流模型可压缩RANS(雷诺平均Navier Stokes）方程求解流场,背景网格区域采用欧拉方程,并运用了SPMD(single program, multiple data)模式的并行加速技术,建立了适合倾转旋翼机气动干扰特性分析的高效混合CFD方法。采用Robin直升机机身作为数值算例,验证了CFD方法的有效性。在此基础上着重对倾转旋翼机在悬停、过渡和前飞巡航模式下的干扰流场进行了数值分析研究,分别得出了悬停状态下倾转旋翼机典型的“喷泉效应”干扰现象、过渡状态下的非定常气动干扰特性以及巡航状态下的部件气动变化特性,计算结果表明建立的新型嵌套网格方法能够较好地表征倾转旋翼机外形特性,并能够有效地用于倾转旋翼机的气动特性分析,加速比能超过5.0。      

轴向间距对涡轮时序效应影响的数值研究

时序效应可以改进多级叶轮机械的效率,为了探讨轴向间距对时序效应的影响,并应用到叶轮机械气动设计中,对1.5级静/动/静布局的涡轮叶片进行了3维非定常数值模拟。结果表明:保持轴向间距不改变,转子居中时涡轮效率整体最高,时均效率最大值为0.866,转子前移时次之,时均效率最大值为0.861,转子后移时效率最低,时均效率最大值仅为0.859,且转子相对位置发生改变并不影响效率-时序位置曲线;总轴向间距变大,时序效应变弱,效率提升幅度仅为0.7个百分点,效率-时序位置曲线随之改变。     

Parachute dynamics and perturbation analysis of precision airdrop system

To analyze the parachute dynamics and stability characteristics of precision airdrop system,the fluid–structure interaction(FSI) dynamics coupling with the flight trajectory of a parachute–payload system is comprehensively predicted by numerical methods.The inflation behavior of a disk-gap-band parachute is specifically investigated using the arbitrary Lagrangian–Euler(ALE) penalty coupling method.With the available aerodynamic data obtained from the FSI simulation,a nine-degree-of-freedom(9DOF) dynamic model of a parachute–payload system is built and solved to simulate the descent trajectory of the multi-body dynamic system.Finally,a linear five-degree-of-freedom(5DOF) dynamic model is developed,the perturbation characteristics and the motion laws of the parachute and payload under a wind gust are analyzed by the linearization method and verified by a comparison with flight test data.The results of airdrop test demonstrate that our method can be further applied to the guidance and control of precision airdrop systems.     

含激波的湍流流动高精度大涡数值模拟方法

针对采用亚格子模型进行含激波的湍流流动模拟时会面临激波附近的精度损失问题,考虑从通过亚格子模型以及数值模拟方法两方面的改进来实现湍流流动大涡模拟的精度提高.大涡模拟采用了Yee及Sj(o)green (2009)提出的高阶低耗散方法.该方法采用自适应的流场探测器以控制计算中所需区域的数值耗散,并考虑对动力学模型采用在激波位置使用Sagaut和Germano(2005)提出的单边亚格子过滤器和(或)直接禁用亚格子项等方法加以改进.对于标准的马赫数1.5和3条件下的激波-湍流干扰问题,上述新方法相较于全区域采用亚格子模型的方法均表现出了相似的精度提升.同时实现的数值精度改进方案采用了Harten的亚单元分辨过程来定位和锐化激波,并在精确激波位置附近的网格点处采用了单边测试滤波.     

梯形齿车轮月面牵引性能的离散元分析

采用离散元法分析梯形齿车轮在月面软土地形的通过性,提出不规则形状颗粒群系统的离散元建模技术,建立车轮牵引性能参数的细观表达式.基于模拟月壤的直剪实验数据,通过反复调试获得最佳土单元模型参数.轮-土作用的离散元分析结果表明:车轮在月壤地形的牵引性能与滑转率和轮齿结构有关,增加滑转率可获得更高的挂钩牵引力,但同时车轮所需的驱动转矩提高;增加轮齿高度可获得更大的土壤推力,但行驶阻力也相应增大;轮齿数量对车轮牵引性能影响较小,但影响车轮在行驶中的平顺性.