耦合POD重构舰面流场的直升机舰面起降数值模拟

为解决舰面非定常流场数据量过大的问题,采用本征正交分解(POD)方法对舰面流场进行重构,发展了一种耦合POD重构流场的直升机舰面起降数值模拟方法。首先采用计算流体力学(CFD)方法计算舰面非定常流场,获得离散数据样本;然后提取流场的POD模态,并截取能够捕捉到原流场主要特征的少量模态对原流场进行重构;最后建立耦合重构舰面流场的直升机高阶飞行动力学模型。以直升机返航进场为例进行数值模拟,并将计算得到的操纵量和飞行状态与飞行试验结果进行对比。结果表明:使用POD方法重构后的舰面流场数据约为原始样本数据的8.5%,且重构流场与原始流场吻合良好,POD方法能够解决舰面非定常流场数据量过大的问题。与飞行试验数据的对比表明,本文方法捕捉到了舰面非定常流场对直升机的影响,可用于直升机舰面起降研究。     

舰船纵摇突变对舰面流场的影响

舰船在海上航行时会受到海浪的影响而产生横摇、纵摇等不同方向上的运动,同时海浪的随机性也会造成舰船摇摆参数发生变化,扰乱舰面流场,增加舰载直升机在甲板上方作业的危险性.为了保障舰载直升机在舰船上的起降和其他甲板作业的安全性,现基于两栖攻击舰的简化模型,通过计算流体力学方法,在纵摇状态下对舰面流场进行数值模拟,将不规则的纵...     

舰载倾转旋翼机着舰域耦合流场数值模拟研究

倾转旋翼机是当前旋翼飞行器研究的热点,但有关舰载倾转旋翼机着舰域耦合流场的研究还很少。以两栖攻击舰(LHA)和V-22鱼鹰倾转旋翼机为研究对象,基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程和SST k-ω湍流模型对舰载倾转旋翼机着舰域耦合流场进行数值模拟研究,并探讨了不同着舰高度时机/舰耦合流场的相互作用。结果表明:倾转旋翼尾流会与舰船脱落涡、甲板舷涡以及舰岛艉涡发生较强的涡-涡干扰现象,加大了耦合流场的湍流强度;舰船流场的低频非稳态特征会导致旋翼桨盘气动载荷发生显著的波动,不利于飞行操纵;垂直降落过程中,舰船甲板会形成前低后高的压力分布特征,倾转旋翼RMS气动载荷值也会明显增加,降低了着舰安全性,且右旋翼RMS气动载荷值比左旋翼平均大一倍以上,这也表明右旋翼面临着更加严峻的气动环境。     

舰载机着舰舰面效应及其补偿方法研究

根据舰面效应的作用机理,分析了舰面效应对舰载机着舰的影响,总结了舰载机在不同着舰模式下的舰面效应补偿方法.针对舰载机自动着舰模式,通过分析舰面效应所产生的附加升力造成的着舰偏差,提出了引导信号指令修正的舰面效应补偿方法,并给出了舰面效应自动补偿方法的具体流程,分析了自动补偿方法的特性及其应用面临的关键问题.     

直升机/舰船耦合流场的数值模拟

发展了一套基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程的直升机/舰船耦合流场数值模拟方法,采用ROEMUSCL格式对交接面通量进行重构,并采用k-ε湍流模型以提高对涡流场的捕捉精度,直升机旋翼等旋转部件的模拟使用动量源模型。然后,以具有典型驱护舰结构的LPD-17及ROBIN直升机的组合为研究对象,从涡量场、速度场及压力场等方面分析了直升机、舰船耦合情形下的流场特征。研究表明,当来流速度V_∞≥4m/s时,舰船流场进入雷诺数自准区,流场速度无因次化量基本保持不变;直升机着舰时,旋翼会与舰船艉部的涡回流区以及甲板两侧的舷涡发生较强的\"涡-涡干扰\",在上述干扰以及舰面效应的共同作用下,旋翼拉力产生显著的振荡,并呈现出先减小、后增大的变化特征;当着舰位置向舰尾移动时,艉部回流区的影响减弱,旋翼拉力振荡幅度相应减小。最后,对全机状态下的耦合流场进行了模拟,结果显示机身和尾桨对舰艉流场的主要结构影响较小,可用旋翼/舰船耦合流场来进行直升机安全着舰分析,这将显著缩短计算时间。     

近舰区风场建模与着舰仿真分析

通过分析近舰区风场特点,建立了低空风场和舰尾流模型,对飞机的着舰过程进行了仿真分析。分析认为:近舰区风场影响了着舰航迹的稳定性,降低了飞机着舰的安全性和乘坐品质。为了验证模型的合理性,进行了飞行员在环的地面飞行模拟试验,分析了近舰区风场对飞机着舰过程和飞行员操纵特性的影响。试验结果表明,近舰区风场的存在显著增加了飞行员的滚转操纵负荷。     

直升机着舰过程模拟

联立直升机和舰船运动方程,模拟了直升机的着舰过程,主要对直升机的着舰速度进行了研究,确定了在规则海浪情况下,舰船横摇角、侧向位移、舰船升沉与着舰速度之间的关系,为飞行员正确操纵直升机提供理论参考.     

直升机旋翼悬停流场的粘性数值模拟

在旋转坐标系下求解可压缩NS方程,对Caradona-Tung旋翼的跨声速悬停流场进行了数值模拟,计算中采用嵌套网格方法,并且应用了多重网格技术加速流场收敛.计算结果表明,多重网格技术显著改善了流场的收敛效率,计算量仅为单重网格的四分之一.文中同时还对无粘和粘性流场进行了对比,NS方程考虑了物面的粘性作用,能正确模拟出激波和边界层的干扰现象,计算得到的桨叶表面压力分布与实验值更加吻合.     

基于嵌套网格的舰载直升机流场仿真及风限图计算

为保证舰载直升机的安全,本文基于嵌套网格方法,针对CG-47提康德罗加级巡洋舰搭载UH-60\"黑鹰\"直升机的机舰组合进行了流场仿真。研究了此组合在不同风向角及风速下的着舰流场,并结合飞行力学模型计算了直升机操纵量和姿态角。根据安全着舰判据,绘制了此组合的理论风限图。结果表明:滚转角及周期变距操纵量均随来流速度增加,俯仰角则受到来流和舰上建筑的多重影响。风向角越小,最大着舰速度越大,且总体左侧大于右侧。     

滑跃起飞过程舰体周围流场的数值模拟

采用数值计算的方法,研究了舰体周围的气流分布情况.给出了不同条件下气流分布的差异以及舰载机滑跃起飞过程对舰面气流分布的影响.计算结果表明,舰体周围的气流分布是相当复杂的,尤其在舰体不同位置会产生不同强度的漩涡.它对于舰载机滑跃起飞气动特性的影响是不可忽略的.侧向风会大大增加舰面气流的湍流程度.本文计算为进一步研究和改善舰面气流分布以提高舰载机滑跃过程的气动特性具有参考价值.     

抗尾流干扰的自动着舰非线性控制研究

由于飞机与尾流模型的非线性,为实现自动精确着舰,探究了具有尾流抑制能力的非线性控制器设计方法.基于气流扰动影响的飞机六自由度非线性模型,利用非线性动态逆控制方法对各控制回路进行了设计,为抑制尾流扰动,提出了应用非线性观测器进行补偿的方法.仿真结果表明,具有非线性干扰观测器的控制器可以在4s内使飞机稳定在速度为52.04 m/s,并使航迹角保持在±0.5°变化范围内,最终的着舰侧向偏差为-0.13m.     

舰载机全自动着舰综述

航母是维护国家主权和海洋权益的重器,舰载机是航母的作战延伸,也是一个国家综合国力的象征。而舰载机着舰的安全性受到多方面因素的影响,因此以美国为首的航母大国一直在探索舰载机的全自动着舰。文中从舰载机全自动着舰的发展过程开始研究,包含全自动着舰引导体制、控制体制、评估方法、以及国外开展全自动着舰的试验情况,探寻全自动着舰评估体系和全自动着舰试验开展情况。最后,总结全自动着舰已有的控制方法,整个全自动着舰的评价体系,分析已有试验的数据,建立一套我国的舰载机着舰方案,用以促进国内舰载机全自动着舰的发展。     

柔性扑翼非定常流场的数值计算方法

提出一种将Delaunay图映射网格变形技术和非结构嵌套网格方法结合使用的策略,解决网格变形和嵌套网格单独用于柔性扑翼流场计算时需要网格再生的问题。该方法为嵌套网格中的每个嵌于背景网格的贴体非结构网格生成Delaunay背景图;每个时间步,根据扑翼的运动和变形规律移动背景图,再根据网格点和背景图的映射关系移动网格点,之后自动完成嵌套边界的定义和插值关系的建立。为方便嵌套关系的建立,嵌套网格进行分层管理。也研究了一种内存消耗少、效率较高的搜索算法,以及格心格式和格点格式统一的边界拓宽算法。非定常可压缩Navier-Stokes方程在非结构的动态网格上用有限体积法离散,并用预处理的双时间步推进、隐式LU-SGS迭代求解。几个扑翼算例的结果表明,该方法充分利用了Delaunay图映射网格变形方法的高效率,同时也发挥了嵌套网格处理大幅运动的优势;用于既有整体大幅扑动又有局部小变形的柔性扑翼流场计算,可取得令人满意的精度和效率。     

关键设计参数对摆线桨气动性能影响

以西北工业大学自行研制的摆线桨飞行器为研究对象,对简化的二维摆线桨模型进行了非定常数值模拟.在数值模拟模块中,桨叶的公转及俯仰振荡运动采用弹簧近似光滑模型和局部重划模型相结合的动网格技术来处理.重点研究了关键设计参数对摆线桨气动性能的影响,结果表明:随着桨叶数的增加,悬停气动效率提高;随着翼型厚度增加,推力变大,气动功耗减小;桨叶俯仰轴位置位于桨叶弦向中部位置时的功率载荷最大,悬停气动效率最高;随着最大俯仰角增大,气动功耗逐渐增加,悬停气动效率降低;当桨叶上、下半周最大俯仰角之和一定时,采用上半周最大俯仰角小的设置时,推力和气动功耗较大,悬停气动效率也更高.      

非定常自由来流对飞机模型气动特性的影响

在国内首座非定常风洞中,研究了不同幅值、不同频率脉动的非定常自由来流对飞机模型气动特性的影响.结果表明,当来流减速时,升力系数增加,当来流加速时,升力系数减小;随着迎角的增大,非定常自由来流对升力系数的影响增大;当来流脉动频率一定时,随脉动幅值的增大,升力系数增大;当脉动幅值一定时,随脉动频率增大,升力系数增大.因此在研究飞机机动飞行的同时,考虑飞行速度变化的影响是十分必要的.     

摆线桨非定常动态失速的三维效应

对摆线桨三维全尺寸模型进行了非定常数值模拟。验证了两种嵌套网格方法的可靠性与适用性,针对二维/三维情况下摆线桨非定常涡流动特性及诱导分离特性开展了数值分析,重点研究了展向气动力随方位角的分布与全局流场的诱导速度分布,并分析了尾迹捕捉精度与涡量耗散特征。结果表明:受摆线桨切向速度、展向诱导速度等三维效应影响,两种计算结果的瞬态气动力极值差值达到44%。三维动态失速涡的产生、脱落与再附明显弱于二维翼型情况,这对于摆线桨非定常气动特性有较大影响。      

舰载机综合光电着舰引导信息融合

飞机着舰过程对着舰引导信息的精度要求非常高,为了更好地辅助飞行员着舰或者实现舰载机自主着舰,文章将电子着舰系统和光学助降系统提供的引导信息进行融合,实现了电子与光学着舰信息的综合运用。其中,电子着舰系统提供斜距、方位仰角和方位偏航角,光学助降系统提供方位仰角和方位偏航角。仿真结果表明,该方法提供的着舰引导信息精度高。     

扰流片快速张开诱发的非定常流动研究

通过数值求解二维非定常可压N-S方程,研究了二维翼型上扰流片快速张开诱发的复杂非定常流动问题。利用动态重叠网格方法处理扰流片和主翼相对移动,分析了扰流片快速张开诱发的升力过冲现象及其形成机理。着重探讨了来流迎角、扰流片高度以及快速张开速率对过冲量的影响。