旋翼有限地面效应的理论建模和试验

针对有限地面对旋翼产生的地面效应现象,建立了一种新的流场分析模型。根据有限地面效应问题计算量大、对旋翼流场影响不均匀的特点,使用3阶精度、高稳定性的时间步进自由尾迹格式对旋翼尾迹结构进行分析,并提出了"物质线"修正法对穿过有限地面的非物理运动尾迹节点进行了位置修正。同时开展了有限地面效应中悬停和前飞状态下的旋翼气动力测量试验,对该状态下的旋翼力和桨叶挥舞运动特点进行了测量。将新建立模型的计算结果与试验值进行对比,验证了模型的准确性。根据计算模型得到的旋翼尾迹结构,对有限地面效应中多种飞行状态下的旋翼流场进行了分析。     

高速平板着水数值模拟

探索和揭示物体入水冲击的流体力学现象与机理对飞行器水上迫降问题的研究有重要的参考价值。对高速平板着水涉及到的复杂物理问题展开数值模拟,采用有限体积法求解非定常雷诺平均Navier-Stokes(URANS)方程和标准k-ε湍流模型,流体体积(VOF)模型捕捉水气交界面,整体动网格技术处理平板与水面的相对运动。在二维楔形体入水冲击的算例验证基础上,详细研究平板高速着水引起流体喷溅、射流、空气垫等现象和平板底面压力变化历程,结果表明:空气垫现象明显,俯仰角4°平板下表面出现规律的空气泡,10°时则不存在;平板下表面的水体沿壁面运动,当俯仰角为10°时,壁面水体的运动速度显著增加;在大俯仰角的情况下明显出现负压区。     

非均匀网格湍流大涡模拟高精度有限体积解法

为准确预测不可压复杂湍流,提出了一种可用于大涡模拟均匀或非均匀网格上的高精度有限体积法。该方法空间离散采用有限体四阶紧致格式,时间推进采用四阶Runge-Kutta法,压力-速度耦合应用四阶紧致格式的动量插值。通过直接求解顶盖驱动方腔流动证实了该方法具有近四阶的空间精度;并在此基础上,采用动态Smagor-insky亚格子应力模式,成功地实现了充分发展槽道湍流和后台阶湍流流动的大涡模拟计算,所得结果与直接数值模拟结果吻合良好,且采用非均匀网格可在比均匀网格数少的离散系统上得到同样满意的结果。结果表明,该方法是实现高精度湍流大涡数值模拟的一个有效途径。     

预处理方法在化学非平衡流场数值模拟中的应用

将预处理方法发展应用于化学非平衡流场的数值模拟中。采用有限差分,LU-SGS隐式方法对二维可压化学非平衡控制方程进行了耦合求解,对化学源项和无粘项隐式处理,粘性项则采用显式。通过化学反应剪切层和激波点火的算例表明,所采用的数值方法能够有效求解化学非平衡流场,证明了本算法的可行性,为下一步的工程应用奠定了基础。     

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。     

空空导弹反强机动目标时间约束滑模制导律

针对空空导弹期望时间拦截强机动目标问题，提出了一种不依赖剩余时间估计的新型攻击时间约束滑模制导律。设计了一种以弹目距离和攻击时间误差加权求和的滑模面，通过分析制导收敛条件，推导得到自适应非奇异权重函数，通过引入有限时间收敛条件，得到了一种有限时间收敛滑模制导律。该制导律在不依赖剩余时间估计条件下保证了终端打击精度和攻击时间约束。通过设计包含滑模变量的附加制导项，显著提升了攻击时间的收敛精度。针对未知加速度机动目标，分析并证明了该制导律对于拦截强机动目标具有良好的适用性。最后通过数学仿真验证了所提出的制导律在不同约束条件下的有效性，并通过对比仿真验证了算法的优越性。     

基于混合状态机的航天器自主绕飞多模态控制

本文研究了对非合作目标的自主绕飞控制问题，提出了基于混合状态机的自主绕飞多模态控制方法。首先，根据自主绕飞任务目标和轨道安全性分析，定义了远程接近、近程接近、相对位置保持、绕飞转移、碰撞规避、撤离等状态以及各个状态的控制目标。其次，为了实现航天器各个行为状态之间的协调转换与控制，建立混合状态机模型对各个状态进行自主管理和监控，设计了状态之间跳转的转换函数。然后，根据不同状态的控制目标，设计了多模态运动规划与控制策略，实现多模态自适应有限时间跟踪控制。最后，对本文所提出的自主绕飞控制方法进行了仿真验证，仿真结果说明了所提出的方法的有效性。     

基于有限时间引导律的欠驱智能船舶循迹控制

针对欠驱智能船舶在执行循迹任务时，受路径曲率和环境力干扰影响导致横向偏差增大的问题，对欠驱智能船舶的引导策略进行了研究。提出了一种有限时间收敛的自适应引导律，并基于该引导律实现了欠驱智能船舶循迹控制，使循迹过程中的横向偏差在有限时间内收敛至零。相比于传统积分引导律，所提方法的控制参数可以根据横向偏差的变化进行自适应调整，更快地引导欠驱智能船舶进行直线和曲线循迹。通过仿真对比验证了所提方法的有效性和先进性。      

基于几何设计法的航空发动机内外机匣减振控制新方法

航空发动机在运行过程中，由于其结构的复杂性和外部气流的不稳定性，不可避免地会产生大量的振动问题。针对航空发动机整机振动问题，首先根据航空发动机的实际结构并结合经验总结，建立了一种通用的转子-支承-机匣振动传递动力学模型，并从航空发动机内外机匣减振控制问题出发，利用一种新型的控制算法（几何设计法），在有限频域内来设计减振控制器，在传感器和执行机构受限的情况下，尝试对多个输出量（即航空发动机的内机匣和外机匣）进行减振控制，并与经典控制理论法比例、微分、积分（Proportional integral derivative,PID）设计的减振控制器进行减振效果对比，最后通过Matlab/Simulink搭建仿真模型并进行仿真验证。结果表明，几何设计法在有限频域内可以直观地获得最优控制器的存在性、唯一性、最优性，对于主控对象的减振控制最优可高达25 dB，相较于传统控制方法形成明显优势。