降落伞开伞过程的多结点模型仿真

根据降落伞的结构和力学特征,在轴对称假设下创建了伞衣及回收物系统的多结点结构模型.通过考虑应力,重力和气动力的作用效果,建立了用于无气流攻角平面圆形降落伞充气模拟的多结点结构模型动力学方程组.对开伞过程中的流场变化引入准定常假设,利用simple算法数值模拟求解RNG(Renormalization Group)k-ε湍流模型下的雷诺平均N-S(Navier-Stokes)方程以获得选定时刻的伞衣表面压力分布.结合多结点模型动力学方程组的解算代码和计算流体力学程序,采用流固耦合的方法对选定的平面圆形降落伞模型的开伞过程进行了动态仿真,得到了开伞过程中降落伞外形和特性的变化.通过结果分析和比较,证明了多结点模型的可行性,发展出了一种用于降落伞流固耦合计算的新方法.      

降落伞伞衣载荷的性能试验

在改变伞衣面积和透气量的情况下,在定常风洞中对小型平面圆形伞的开伞过程进行了动态试验,研究了开伞过程中伞衣形状和伞衣所受载荷之间的动态关系.伞衣载荷不仅受降落伞阻力和附加质量变化率产生的力影响,同时,不稳定性及伞衣(绳)的抖动也是产生伞衣载荷的一个重要因素.稳定型伞衣充满后的载荷平均值约为最大开伞动载的60％左右,伞衣投影直径变化引起的呼吸现象也会引起载荷波动.透气量越大,降落伞稳定性越好,但降落伞的充气性能将会变差.该实验研究可为降落伞的载荷分析提供一定的依据.      

前体尾流对降落伞工作性能的影响

为研究前体尾流对降落伞工作性能的非定常影响,基于Realizablek-ε湍流模型采用PISO算法开展了物伞系统的非定常绕流数值计算,获得了精细的流场旋涡结构。在此基础上,研究了不同拖曳比下物伞系统的尾涡演变规律、流场分布规律以及伞衣气动特性变化。结果表明:前体尾涡导致伞衣入口处的涡量大小和方向时刻变化,随拖曳比增加,涡量黏性耗散增强,进入伞衣的旋涡强度逐渐减弱,伞衣入口形成稳定的负涡量区,伞衣尾涡脱离周期随之延长;拖曳比对尾涡区后端（伞衣入口处）流场压力的影响远大于前端,随拖曳比增加,流动形式逐渐由闭式转变为开式,流场的速度分布和压力分布更为对称,伞衣入口形成稳定的正压区,内外压差增加;当拖曳比大于9时,前体尾流对降落伞阻力系数和表面压强系数的影响减小。      

半球形伞流固耦合工程算法

降落伞流固耦合模拟非常难以实现,而一些工程设计任务要求迅速高效地完成.为了适应该要求,针对稳定下降阶段的半球形伞,提出了一种流固耦合工程算法.以轴对称伞形为伞衣初始形状,通过流场模拟得到结构模拟所需的伞衣压力系数分布,通过结构模拟得到新的伞衣外形,如此循环,直到伞衣中幅线和伞绳外形趋于稳定为止.结果表明,伞衣外形能迅速收敛,该方法能满足工程设计要求.     

对称面圆周角对轴对称降落伞流场特性的影响

根据降落伞的特点,通过3点假设(伞衣薄膜、伞的轴对称和流场定常),将三维复杂流动问题转化成二维轴对称问题,以节约计算时间.定义对称面圆周角,保持伞衣幅底部直径和顶孔直径不变,选取对称面圆周角在80°~140°范围内变化,建立一系列轴对称降落伞的计算模型.利用数值模拟手段,求解RNG (Renormalization Group)k-epsilon湍流模型下的N-S方程组,获得与有关单位试验相吻合的计算结果.分析发现对称面圆周角和伞衣幅高度对降落伞阻力影响很小.算例中阻力随对称面圆周角的变化在±0.28%以内.对称面圆周角的变化对轴对称降落伞尾流区流场的拓扑结构没有影响.对称轴上存在2个鞍点,随着对称面圆周角的增大,第1个鞍点的位置几乎不变,第2个鞍点的位置向尾流方向推移.      

伞衣透气性对翼伞气动特性的影响

为了提高翼伞的飞行性能,需要研究伞衣织物透气性对翼伞气动特性的影响。使用不可压雷诺时均Navier-Stokes(RANS)方程模拟伞衣外部流场,建立了包含附加动量源项的多孔介质域控制方程模拟伞衣,对2种透气性材料模型和无透气性影响传统模型的气动特性和流场分布进行了二维和三维定常数值模拟。数值结果表明,求解多孔介质域控制方程可以得到较准确的伞衣透气速度,伞衣表面的湍流度急剧增加;使用较大透气量材料制作伞衣时,升力系数大幅下降,阻力系数大幅上升,同时会造成内腔泄压影响翼伞的外形保持;使用微透气量材料制作伞衣时,升力系数在小迎角时小于不透气模型,在大迎角时大于不透气模型,较小的透气速度能在大迎角时延缓边界层分离。     

轴对称降落伞小迎角稳定下降时流场特性

根据降落伞的特点,通过伞衣零厚度假设、伞轴对称假设和流场定常假设,建立轴对称降落伞的流体力学计算模型。在0°~5°的小迎角范围内,求解RNG(Renormalization Group)k-ε湍流模型下的N-S方程组,获得与有关单位试验相吻合的数值模拟结果。分析发现0°迎角时轴对称降落伞截面流场中鞍点与鞍点直接连接的状态是不稳定的。随着降落伞迎角增大,奇点类型和奇点间的连接方式将发生改变,降落伞物面附近的涡环里将出现极限环,截面流场中将出现新的鞍点和结点。迎角继续增大,极限环的面积将会减小直至消失,结点将附着在物面上,成为半结点。结果表明小迎角范围内降落伞截面流场的拓扑结构符合拓扑规律。文章揭示了小迎角范围内轴对称降落伞稳定下降时流场特性的演变规律,为进一步研究降落伞流场的流动机理和流固耦合问题打下基础。     

降落伞流固耦合问题的数值模拟和流场分析

提出了基于压力耦合的半隐式算法,即SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)算法和生成阶梯网格方法的对稳定下降阶段的降落伞进行数值模拟的新方法.此方法在降落伞流固耦合计算中具有较好的稳定性和较高的效率.对降落伞稳定下降阶段的流固耦合问题进行了数值模拟.降落伞模型分别采用了圆形伞和锥形伞稳定下降时的结构数据,并对锥形伞模型进行了不同来流攻角情形下的模拟.与平行有限元方法相比,采用SIMPLE算法的新方法得到了更准确和更合理的结果.此新方法可以作为传统数值模拟方法的一个可靠替代和重要补充. 　　      

基于弱耦合的翼伞气动变形数值模拟

对不带气室翼伞和带气室翼伞的气动特性和结构变形进行三维数值模拟,分析气室对翼伞气动特性和结构变形的影响.流场方面,采用有限体积法求解Navier-Stokes控制方程,选用剪切应力输运(SST,Shear-Stress Transport)k-ω湍流模型;结构方面,假定翼伞有初始形状,使用插值方法映射传递流固交界面的压力数据,通过ANSYS计算翼伞伞衣的气动变形.结果表明:气室对阻力影响不大,对升力的影响主要表现在大迎角情况下;翼伞柔性和尺寸大小对其有利迎角的范围影响不大;翼伞的气动变形和最大主应力主要集中在气室中前部分,带气室翼伞由于有肋片加强的缘故,伞衣气动变形较小,一定程度上保证了翼伞的气动特性.     

基于弱耦合的翼伞气动变形数值模拟

对不带气室翼伞和带气室翼伞的气动特性和结构变形进行三维数值模拟,分析气室对翼伞气动特性和结构变形的影响.流场方面,采用有限体积法求解Navier-Stokes控制方程,选用剪切应力输运(SST,Shear-Stress Transport)k-ω湍流模型;结构方面,假定翼伞有初始形状,使用插值方法映射传递流固交界面的压力数据,通过ANSYS计算翼伞伞衣的气动变形.结果表明:气室对阻力影响不大,对升力的影响主要表现在大迎角情况下;翼伞柔性和尺寸大小对其有利迎角的范围影响不大;翼伞的气动变形和最大主应力主要集中在气室中前部分,带气室翼伞由于有肋片加强的缘故,伞衣气动变形较小,一定程度上保证了翼伞的气动特性.     

基于凯恩方程的无人机伞降回收动力学建模与仿真

在无人机的伞降回收过程中,无人机与降落伞一直都处于实时的动平衡状态,两者在伞降回收过程中的耦合关系及其复杂,因此很难建立精准的无人机伞降回收动力学模型。针对该问题,将伞降回收系统划分为降落伞和无人机分别进行处理。针对时变对象降落伞,通过阻力面积随充气时间的变化关系建立其动力学模型。针对无人机,首先,基于多体动力学思路,将其划分为左右机翼和机身的多体系统,通过平板绕流系数优化其伞降过程中的大迎角动力学模型;然后,通过偏速度矩阵将各体的动力学模型引入伞降回收系统质心;最终,基于凯恩方程推导并建立了伞降回收系统六自由度模型,并引入海拔高度和风力对无人机伞降回收的影响。通过数值仿真与实验数据的对比,可以发现两者具有较好的一致性,该动力学模型能够为无人机的伞降回收提供指导。      

一种计算开伞动载的实用方法

依据海因里奇开伞动力理论,在计算个表充满时间的连续方程中,考虑了伞顶孔,伞顶部分大透气量织物面积,以及伞衣中、下部分织物透气量对开伞动载的影响。引用了非线性的阻力特征文化曲线［２］,计算伞衣充气过程中阻力特征的变化。并考虑了伞衣充气过程初始瞬时的阻力特征,假设在伞衣初始充气时期的一段时间中,进气口直径为常值,数值上等于［４（ＣＡ）０／Ｃ（ｓｔ）π）］（１／２）。计算实例表明,计算结果与实测数据相比较,其一致性是比较满意的。     

火星盘缝带伞跨声速风洞试验研究

火星着陆器在进入减速着陆过程中降落伞是必需的气动力减速装置,然而火星大气的特殊性使得火星降落伞开伞工作时具有超声速、低密度、低动压的特点,因而火星降落伞的构型、参数选择非常关键。文章在对火星盘缝带伞进行理论分析和国际应用研究的基础上,选取四种典型结构参数的盘缝带伞型,即常规透气量和低透气量的探路者型和海盗型伞型,在中国国内首次进行了亚-跨声速风洞试验,对这四种伞型在亚-跨声速下的阻力特性和稳定性开展研究。风洞试验采用横梁式测力天平测量阻力,同时用影像设备观察伞的摆动角度。研究结果表明,盘缝带伞的跨声速段阻力系数与理论值基本相符,能够满足火星环境下的减速需要;盘缝带伞随阻力系数增加稳定性降低,设计中必须兼顾考虑。