基于高效数值方法的一种高超声速飞行器外形气动力/热综合优化设计研究

基于所发展的高效气动力/热快速预测方法,建立了适用于高超声速飞行器的综合考虑气动力与气动热特性的外形优化设计技术,并在一种高超声速飞行器外形设计中应用,通过优化设计改变了初始外形纵向静不稳定特性,优化后外形实现了纵向静稳定、大攻角自配平和非驻点表面最大热流下降的设计目标。所发展的方法为适应气动外形快速选型设计需求提供了有效的途径。     

基于POD方法的复杂外形飞行器热环境快速预测方法

使用CFD数值方法获得三维热环境数据库,利用本征正交分解对CFD数据库进行降阶处理,结合相应的基系数插值方法,快速预测出未知状态下满足精度要求的表面热环境参数。以Hermes外形为研究对象,建立热环境数据库,使用本文提出的方法预测未知来流状态下模型表面热流,并和CFD结果进行对比。结果表明,该方法可大幅提高计算效率,不损失预测精度。分析了数据库包络性对重构精度的影响。实现了沿给定弹道的三维热环境快速预测。该方法能够反映真实的热流空间分布特征,快速获得精确的激波干扰区热流,有力地弥补了工程算法的不足。     

高超声速飞行器跨流域气动力／热预测技术研究

分析了跨流域流动特点、工程背景需求、国内外研究现状,针对高超声速飞行器跨流域气动力／热预测存在的主要问题,从粘性干扰参数与克努森数搭接的跨流域模拟准则、微量天平结构优化及测力技术、红外大面积中低量值热流测量技术、流场显示与测量技术和 N-S／DSMC 自适应紧耦合数值模拟方法等方面,总结了近年来取得的研究进展,并讨论了下一步研究方向。     

基于热响应特性的高速飞行器轨迹设计与制导

针对传统热约束方式存在表征不合理的问题,通过热响应方程变换和热环境近似拟合,建立包含热响应模型的高速飞行器增广动力学模型,实现以飞行器防隔热层外壁温度和内壁温度作为热约束的目标.针对定常攻角飞行方案存在跳跃高度衰减较快的问题,提出一种高度-速度(H-V)反馈控制的轨迹设计方法,使用高度和速度信息联合调节攻角,实现大空域反复穿梭跳跃飞行,进一步降低高速飞行器防隔热层内壁温度.针对拉偏情况下内壁温度上边界不确定的问题,提出一种具有内壁温度边界线特征的标称轨迹设计方法,使用最严峻的极值拉偏条件作为输入进行设计,实现对高速飞行器防隔热层内壁温度的上边界约束.针对拉偏情况下大空域反复穿梭跳跃飞行轨迹跟踪误差较大的问题,提出一种H-V反馈跟踪的在线制导方法,通过高度和速度偏差信息分别调节倾侧角和攻角,实现对高速飞行器标称轨迹的精确跟踪并满足内壁温度上边界约束,蒙特卡罗仿真表明其具备较好的鲁棒性.     

高速飞行器综合热管理方案快速仿真平台

高速飞行器面临严峻的外部气动热和内部设备热环境,以热防护系统和热管理系统组成的综合热管 理方案决定该类飞行器总体方案的闭合性,因此需要在飞行器初步方案设计阶段对综合热管理系统设计方案 进行快速仿真计算和可行性评估。以电子设备舱为例,采用模块化设计和一维简化方法,构建一个将飞行器热 源、传热和热控等热环境因素进行模块化封装的快速仿真平台;通过仿真算例对该平台进行验证。结果表明: 该平台可以快速实现飞行器电子设备舱综合热管理方案的模型搭建、计算与评估。     

火星探测器气动热环境和气动力特性的数值模拟研究

针对探测器进入火星大气过程中的高温气体非平衡效应及其气动热环境和气动力特性的精确预测问题,考虑火星大气高温混合气体的化学反应、束缚电子能激发效应、分子振动能激发效应和非平衡效应,以及不同表面催化特性和表面温度条件的影响,建立了数值模拟热化学非平衡流场的计算方法,并通过与平头圆柱试验模型和MESUR火星探测器的试验与计算数据对比分析,验证了计算方法的可行性与有效性,然后对典型火星探测器的气动热环境和气动力特性进行了数值模拟分析。研究结果表明:1)对于本文的计算状态情况,火星探测器流场中化学非平衡效应非常严重,存在一定的热力学非平衡效应;2)热力学模型、化学反应模型和表面催化特性对气动热计算有着重要影响;3)气体模型对气动力特性的预测影响较大,表面温度条件和表面催化特性对气动力系数的计算影响较小。     

临近空间高速飞行器微量气动力试验及计算

针对临近空间大气环境微量气动力风洞试验准确测量需求,研制了微量天平测力系统,实现了微量天平的结构设计和静态校准。采用钝锥简单外形进行试验验证,并对三角翼升力体复杂外形做了探索,结果表明：钝锥外形验证试验中,3次试验时天平各载荷单元的气动数据重复性精度均优于4.8%;探索试验中,三角翼升力体外形采用该风洞目前能达到最低密度状态,试验结果表明：该微量测力天平在极限状态下表现较好。在此基础上,利用数值计算方法对上述外形进行模拟,并将模拟结果与试验结果进行对比,表明数值计算得到的钝锥和三角翼升力体的气动力均与微量天平测力结果吻合较好;对于简单钝锥外形,在其试验条件下,钝锥表面压阻远高于摩阻;对于三角翼升力体外形,其试验条件下环境大气更加稀薄,三角翼表面摩阻占比与压阻相当。     

高速列车受电弓气动力特性测量

介绍高速列车受电弓在北京空气动力研究所FD-09低速风洞进行空气动力特性的测量结果。试件为实物，分原型弓和改型弓。试验时速为80～300km。测量结果表明，改型弓阻力较原型弓平均低19％，同时表明，弓头阻力占受电弓总气动阻力的14％～21％。因此，受电弓和弓头结构外形设计必须考虑气动性能。利用不同高度和斜度档板(围裙)方案，可以有效降低受电弓气动阻力和气动噪音，但列车总阻力将可能增加。     

某高超飞行器流道冷流特征及气动力特性研究

对一种类似于X-43A的吸气式高超声速一体化构形全流道开展了风洞实验和数值模拟研究,分析了不同来流总压、飞行攻角以来流Ma数下全流道的流场结构和气动力特性.研究结果表明:(1)飞行攻角对全流道的流动结构和升力系数有着显著影响,但阻力系数的影响并不明显;(2) 研究范围内来流马赫数的变化对全流道的流动结构和全机气动力特性有着一定影响;(3) 前体横截面上存在显著的展向压强梯度,使得经过预压缩的气流偏离了进气道进口,但同时也减少了进入内通道的边界层气流,提高了进口流场的品质.     

基于涡尾迹方法的风力机载荷与响应计算

采用涡尾迹方法计算准定常气动性能,结合Leishman-Beddoes动态失速模型计算叶片的非定常气动力。应用有限元分析软件,分析风力机在不同转速下的风轮模态,塔架的前后、左右振动模态。基于非定常气动力和结构振动模态,针对风力机风轮,建立其结构运动方程。求解出的叶片振动速度加入到非定常气动力的计算中,从而建立了考虑叶片振动的风力机载荷、响应计算模型。分析了Phase VI叶片和某1.5MW风力机各个叶片截面的气动力、振动位移和振动速度随时间的响应曲线,表明该方法能够较好地计算出风力机的气动性能、载荷和响应。     

高超声速飞行器表面温度分布与气动热耦合数值研究

针对高超声速飞行器热防护设计中的高温气体非平衡效应问题和气动热环境精确预测问题,基于流场的非平衡Navier-Stokes方程、表面的能量守恒方程和内部的热传导方程,考虑流场的非平衡效应、表面的热辐射效应、催化效应和烧蚀效应以及热防护层内部的热传导效应,建立了初步的表面温度分布与气动热的耦合计算方法,完善了高超声速飞行器气动物理流场计算软件(AEROPH_Flow)。在表面材料为碳-碳(C-C)条件下,对飞行高度为65km和飞行速度为8,10km/s的半球以及飞行高度为50km和飞行速度为8km/s的球锥模型,开展了表面温度分布与气动热的耦合计算,验证了计算方法和计算软件,分析了表面温度分布对气动热环境的影响。研究结果表明:表面温度分布对气动热的计算结果有较大影响,在气动热环境的预测中,不仅要考虑热化学非平衡效应和表面催化效应的影响,还要考虑表面温度分布的影响,最好是采用表面温度分布与气动热耦合计算的方法,以减小表面温度分布对气动热计算结果的影响。为此,需要发展完善非平衡流场/表面催化和烧蚀/热传导温度场(气/表/固)的计算模型、耦合求解技术和计算软件,实现对高超声速飞行器的真实飞行条件下高温气体非平衡效应和气动热环境的精确模拟。     

一种快速计算螺旋桨气动声学特性的数值方法

在低速螺旋桨性能计算方面,涡格法是快速有效的方法。但是在计算表面压力分布时,传统的涡格法遇到了无法克服的困难。本文推导出在叶片表面布置分布涡强的方法,既保持了涡格法计算快的优点,又较好地计算出叶片表面压力分布。以此为基础,本文采用FW-H方程忽略四极子效应的时域解法,使用与气动计算相同的表面网格,快速解出了螺旋桨的远场声学特性,计算结果与实验结果符合程度较好。说明该一体化方法可以用于螺旋桨噪声机理分析和低噪声螺旋桨设计,从而为分析螺旋桨噪声机理和设计低噪声螺旋桨提供简便工具。     

高速冲压推进弹丸气动特性仿真分析

针对设计马赫数为4的冲压推进弹丸,采用数值仿真手段,分析了设计马赫数下进气道的工作特性.对被动段飞行的弹丸内、外部气动阻力进行了数值计算,分析了不同飞行马赫数条件下的弹丸气动阻力的变化.研究结果表明:设计马赫数下,冲压推进弹丸的进气道具备再起动能力,进气道亚临界状态最大总压恢复在0.25左右;在弹丸飞行的被动段,随着飞行马赫数从4降低到3,弹丸内部气动阻力系数几乎保持不变,在0.06左右;外部气动阻力系数由马赫数4下的0.16增加到马赫数3下的0.21,弹丸总的气动阻力系数由马赫数4下的0.23增加为马赫数3下的0.27.外部阻力中,摩擦阻力占约20％;内部阻力中,摩擦阻力占40％左右.     

基于小波尺度函数的WSK-SV算法 及其气动性能预测

提出了一种将小波的尺度函数与SV(support vector)算法相结合的WSK-SV(wavelet scaling kernel-support vector)新算法,并将Daubechies小波以及Shannon小波的尺度函数分别构成尺度核函数,而且分别作为SV算法中一个可容许的支持向量核函数使用.该算法充分利用了Daubechies小波函数的紧支集与正交等特点以及小波的MRA(multi-resolution analysis,多分辨分析),并注意了尺度核函数能够满足Mercer条件.该算法除了具有通常SVM(support vector machine)所具有的优点外,还具有很好的收敛性以及泛化能力,能够有效地提高学习与预测效率.典型算例选取了不同的小波尺度函数,数值计算表明:在一维、二维和三维问题中,这些小波的尺度函数均可以用于WSK-SV算法,进而显示了这个新算法的可行性与通用性.      

扑翼机翼气动力和惯性力对翼杆结构变形研究

通过有限元方法探究了机翼上气动力和惯性力对结构变形的影响.研究表明扑翼机翼产生的气动力和惯性力大小在同一量级.机翼惯性力对机翼结构变形具有不可忽视的影响.当机翼处于水平位置时机翼气动力对结构变形贡献最大,同时合力产生的最大变形也出现在机翼水平位置.仿生扑翼机翼结构变形研究为高升力、低能耗扑翼机翼的设计提供了理论指导.      

基于气弹耦合的旋翼桨涡干扰噪声预测方法

建立了基于气动/弹性耦合的旋翼桨涡干扰（BVI）气动和噪声分析方法。气动模型包括修正Beddoes尾迹模型和CFD模型,噪声计算采用基于声学类比法推导出的FW H（Ffowcs Williams Hawkings）方程,弹性桨叶动力学建模采用有限元方法。应用所建立的方法,对刚性的OLS（operational load survey）旋翼桨涡干扰状态的气动和噪声特性进行了计算,对比了两种气动模型在研究桨涡干扰问题的有效性;以弹性的HART Ⅱ旋翼为研究对象,分析了桨叶弹性、时间步长对桨涡干扰气动载荷和噪声的影响。结果表明:进行桨涡干扰计算时所采用的时间步长不宜超过2°。CFD方法由于固有的数值耗散,计算出的OLS旋翼噪声声压峰值仅为试验值的60%,而修正Beddoes尾迹模型能够避免数值耗散,且具有高效率的优势。考虑桨叶气动弹性能够提高旋翼桨涡干扰噪声的预测精度。      

基于SVR方法的飞行仿真气动数据辨识及预测

气动数据的辨识是全状态飞行仿真中的关键点。辨识数据模型的有效性与完整性将直接决定飞行运动仿真的准确度并将影响后续工作的效率。由于实验获得的数据具有离散性和不完整性,往往不能获得飞机整个飞行包线内各种状态下的气动数据。分析了飞机气动参数的分布类型,提出一种基于ε-支持向量机理论的气动数据辨识及预测方法,通过对离散气动数据的曲线和曲面拟合验证了该方法的可行性、精确性和鲁棒性。     

分布式非线性气动力模型弹性飞机动力学研究

建立了线性与非线性两种分布式气动力模型,在弹性飞机模型上添加所建立的气动力模型,验证了整个系统的有效性。对所建立的模型进行着陆及突风扰动动力学仿真,对比线性及非线性气动力模型的飞机动力学响应的差异,结果表明非线性气动力模型能够更合理地计算飞机大迎角状态下的气动载荷及动力学响应。     

沟槽微结构尺寸对高速列车横风特性影响研究

随着列车运行速度的不断提升,气动效应对列车运行安全性产生的影响越来越突出。目前针对高速列车横风效应的研究通常假定列车表面光滑,实际上列车表面是非光滑的,边界层内的流动特性有所不同。利用微结构进行非光滑表面设计的新型技术手段可能改善高速列车在横风条件下的气动性能。以在车顶加设矩形条带组的方式,对1∶25比例的列车模型进行局部非光滑设计;采用改进的延迟分离涡模拟(IDDES)方法对横风作用下光滑表面和粗糙表面的列车模型进行气动性能模拟。结果表明,与光滑模型相比,粗糙模型下的侧向力系数和倾覆力矩系数分别降低了3.71%和10.56%。选取条带的宽度、高度和长度为设计变量,基于正交试验设计方法设计不同的数值模拟方案,利用方差分析和极差的方法探索矩形条带几何参数与列车侧向力和倾覆力矩间的关系,给出条带外形设计的优选方案。本研究可为横风作用下如何提升高速列车的气动性能提供理论依据。