Optimization of aerodynamic efficiency for twist morphing MAV wing

Twist morphing(TM) is a practical control technique in micro air vehicle(MAV) flight.However, TM wing has a lower aerodynamic efficiency(CL/CD) compared to membrane and rigid wing. This is due to massive drag penalty created on TM wing, which had overwhelmed the successive increase in its lift generation. Therefore, further CL/CDmaxoptimization on TM wing is needed to obtain the optimal condition for the morphing wing configuration. In this paper, two-way fluid–structure interaction(FSI) simulation and wind tunnel testing method are used to solve and study the basic wing aerodynamic performance over(non-optimal) TM, membrane and rigid wings. Then,a multifidelity data metamodel based design optimization(MBDO) process is adopted based on the Ansys-DesignXplorer frameworks. In the adaptive MBDO process, Kriging metamodel is used to construct the final multifidelity CL/CDresponses by utilizing 23 multi-fidelity sample points from the FSI simulation and experimental data. The optimization results show that the optimal TM wing configuration is able to produce better CL/CDmaxmagnitude by at least 2% than the non-optimal TM wings. The flow structure formation reveals that low TV strength on the optimal TM wing induces low CDgeneration which in turn improves its overall CL/CDmaxperformance.     

高速子弹穿透充液油箱的数值模拟

高速子弹击穿充液油箱产生水锤效应,造成油箱全面且灾难性的破坏,因而对子弹穿透油箱的过程进行模拟分析具有重要价值。使用ANSYS/LS-DYNA有限元软件,模拟900 m/s的子弹穿透装有60%水的4340钢制油箱以及空油箱的过程,模拟再现了水锤的产生过程,得到了不同时刻的物理图像和各种瞬变现象,确定了水锤效应的成因以及对油箱的破坏方式。研究表明,油箱中水压峰值出现在子弹入射板内侧,油箱底板和子弹出射板变形更严重。     

Simulation of 3D parachute fluid–structure interaction based on nonlinear finite element method and preconditioning finite volume method

A fluid–structure interaction method combining a nonlinear finite element algorithm with a preconditioning finite volume method is proposed in this paper to simulate parachute transient dynamics. This method uses a three-dimensional membrane–cable fabric model to represent a parachute system at a highly folded configuration. The large shape change during parachute inflation is computed by the nonlinear Newton–Raphson iteration and the linear system equation is solved by the generalized minimal residual(GMRES) method. A membrane wrinkling algorithm is also utilized to evaluate the special uniaxial tension state of membrane elements on the parachute canopy. In order to avoid large time expenses during structural nonlinear iteration, the implicit Hilber–Hughes–Taylor(HHT) time integration method is employed. For the fluid dynamic simulations, the Roe and HLLC(Harten–Lax–van Leer contact) scheme has been modified and extended to compute flow problems at all speeds. The lower–upper symmetric Gauss–Seidel(LUSGS) approximate factorization is applied to accelerate the numerical convergence speed. Finally,the test model of a highly folded C-9 parachute is simulated at a prescribed speed and the results show similar characteristics compared with experimental results and previous literature.     

安溢活门动态流场数值模拟研究

为了研究安溢活门主阀开启过程中的动态流场特性,采用Fluent动网格法和用户自定义函数方法对其进行流固耦合数值模拟。通过Fluent 3D非定常显式耦合求解器以及虚拟挡板技术求解某时刻主阀腔内的气压力,并通过有限气容充放气过程方程确定背压腔充放气过程对膜片的气压力,得到膜片上的总和力。进而通过求解质量弹簧阻尼系统动力学方程确定主、副活阀的运动速度和位移。结果表明:活门开启过程中开度越大,阀道内流场越复杂,流动越不稳定;活门开度增大,阀座处流量线性增加,入口腔流量变化平稳,而出口腔流量波动较大;随着开度增加,活门不同位置和膜片上的气压力变化规律不同。     

旋翼桨涡干扰噪声开环桨距主动控制研究

直升机在斜下降飞行时旋翼产生的桨涡干扰(BVI)噪声十分严重,桨距主动控制是降低旋翼BVI噪声的有效手段之一。为摸索其对旋翼BVI噪声的影响规律并阐释其机理,开展了开环桨距主动控制对旋翼BVI噪声的影响研究。建立能够计入开环桨距主动控制的旋翼自由尾迹模型,并结合翼型气动力模型及基于FW-H(Ffowcs Williams-Hawkings)方程的旋翼载荷噪声计算模型,建立旋翼BVI噪声开环主动控制模型。以40%缩比的4桨叶BO-105直升机模型旋翼为算例,在风洞配平状态下开展开环桨距主动控制对旋翼BVI噪声的影响研究。通过分析算例旋翼在不同相位、幅值的桨距主动控制下的BVI噪声声压级、桨盘气动载荷及桨盘迎角分布,总结出开环桨距主动控制影响旋翼BVI噪声的规律,并初步阐释了其机理:适当的桨距主动控制可改善桨盘迎角分布,降低桨涡干扰位置附近的桨叶气动载荷,从而降低BVI噪声。     

考虑螺旋桨滑流影响的机翼气动优化设计

涡桨飞机的机翼、短舱等部件在滑流作用下周围的流场特性与无滑流状态下截然不同。所以,应该在涡桨飞机的机翼气动设计过程中考虑螺旋桨滑流的影响,从而使得机翼在真实飞行时滑流作用下表现出更好的气动特性。采用基于雷诺平均Navier-Stokes方程的多重参考坐标系(MRF)方法对螺旋桨滑流进行高精度准定常数值模拟,通过自由变形(FFD)技术实现螺旋桨飞机机翼的参数化构建,应用径向基函数(RBF)插值的动网格技术进行网格自动生成,获得样本机翼在滑流影响下的气动数据后,建立目标函数和状态函数的Kriging代理模型,结合随机权重粒子群优化(PSO)算法、Kriging代理模型和对应的EI(Expected Improvement)函数加点准则进行加样本点以及代理模型重建,从而建立滑流影响下机翼气动优化设计系统。使用该系统对某型螺旋桨飞机进行了滑流影响下的优化设计,结果表明,优化后的构型机翼和短舱在巡航状态下减阻达3.98counts,升阻比提高了3.325%。因此,建立的考虑滑流影响下的机翼优化设计方法是可行的。     

圆锥激波与平板边界层干扰的数值模拟研究

为进一步研究参数变化以及三维效应对圆锥激波/平板边界层之间相互干扰的影响,使用两方程Menter-SST模型,针对来流马赫数为2时的三维圆锥激波与平板边界层的相互干扰现象进行了数值模拟与定性、定量分析。分别研究了圆锥激波发生器半锥角和来流单位雷诺数变化对干扰区流动的影响,总结了参数变化引起的流动分离变化规律;此外,还计算了与三维计算的中心对称面上的入射激波等效的二维情形,并将三维结果与二维情形进行对比,对比结果显示中心对称面上的壁面压力系数、分离涡尺寸、涡量分布等与相应的二维情形存在明显差异。     

湿滑道面飞机着陆滑水风险量化分析

基于飞机机载记录仪数据和临界滑水速度提出滑水风险量化指标,将飞机接地滑行全过程纳入滑水分析范围;建立着陆阶段飞机轮胎-积水道面流固耦合仿真模型,考察道面积水分布及接地位置横向漂移影响,以空客A320为代表机型开展案例分析。结果表明,着陆阶段飞机轮胎临界滑水速度较起飞阶段低12%~18%,滑水事故风险更高;道面横坡引起积水不均匀分布,跑道边缘滑水风险高于中线区域;临界滑水速度及滑水风险指标均为关于接地位置横坐标的函数;同等降雨强度条件下滑水风险概率随飞机接地横向分布标准差增大而减小;增大横坡度可加快道面积水排除,2.0%横坡度工况较1.5%时滑水风险降低5.1%~5.6%;降雨强度与飞机滑水风险正相关,由0.8 mm/min增大至2.5 mm/min时滑水风险指标增加约13.1%;该滑水风险量化分析方法可定量描述飞机着陆环境变化影响,滑水判定方式有明显改进。     

进口探针支杆尾迹诱发压气机转子叶片共振的数值研究

为了探究包含支杆直径10mm进口探针的压气机罕见地出现第一级转子叶片动应变超限报警的产生机理,以更换直径8mm+3mm的探针后报警解除的情况作为对比方案,开展了进口探针支杆诱发压气机转子叶片振动的流动机理研究。以试验压气机为研究对象,利用ANSYS APDL命令流语言使用载荷步文件法对该压气机转子叶片进行了单向瞬态流固耦合数值计算。结果表明,两类探针支杆尾迹影响下,压气机转子叶片都发生了共振;引起叶片共振的激振力频率来源于支杆尾迹诱导频率与支杆通过频率的叠加,其中支杆尾迹诱导频率是由支杆尾迹涡脱落与转子叶片通过非同相位所诱导产生;支杆直径减小,支杆尾迹引起的叶片表面激振力减小,使叶片振动应变相应降低。     

表面触觉再现技术现状和评估方法

表面触觉再现技术可通过裸指触摸屏幕来感知物体特性,在多媒体终端实现高效自然的交互,具有巨大的研究价值,因而得到国内外研究学者的广泛关注。然而,现有研究多集中于力觉交互设备,未对表面触觉再现设备进行系统分析,且对设备的各项性能评价过于主观,未给出客观可信的表面触觉再现技术评估标准。首先,在充分研究现有表面触觉再现技术的基础上,重点对近十年表面触觉再现技术进行补充和完善。将表面触觉再现设备分为振动式、压力式、压膜式、静电力式和电刺激式,重点从工作原理、装置构成和性能指标等方面对典型设备进行详细分析和介绍,总结设备在触觉表达方面存在的优缺点。然后,针对现有评价方式过于粗糙和主观的问题,提出一种表面触觉再现技术的评估方法。通过制造难度、工作区间等7种评价指标全面评价设备的性能,采用专家打分法和层次分析法获得振动式、压力式、压膜式、静电力式4种设备在每种评价指标下的权重,并对4种设备在多媒体终端应用中的性能优劣进行排序,为不同领域下选择和评价表面触觉再现设备提供参考。最后,总结现有设备的不足,讨论其未来的研究和改进方向。