高超声速飞行器流-热-固耦合研究现状与软件开发

新一代高超声速飞行器流-热-固耦合问题研究对准确评估与设计飞行器热防护系统结构尤为重要。回顾了高超声速飞行器流-热-固耦合问题的发展历程与现状。从物理含义出发,对高超声速流-热-固耦合问题各学科间的耦合关系以及各自的建模方法进行了归纳。对高超声速飞行器流-热-固耦合问题的研究进展,特别是流-热-固多场耦合分析策略/方法进行了总结。从平台框架、功能模块、耦合方法和技术特点等方面,对中国空气动力研究与发展中心自主研发的热环境/热响应耦合计算分析平台(FL-CAPTER)进行了阐述。最后,对高超声速飞行器流-热-固耦合发展所面临的问题和发展趋势进行了讨论。     

燃烧室中平均流速对速度耦合与压力耦合的影响

对热力发动机中存在的线性振荡燃烧的研究，通常假设速度耦合与压力耦合的作用独立无关且作用结果可以线性相加。本文通过对压耦合与速度耦合现象的分析，说明了使这一假设不合理的平均流速界限，并给予了实验证明。     

某型飞机同时存在两种惯性耦合问题的探讨

根据稳定性理论，对某型高速飞机的惯性耦合进行初步研究，首先，对飞机的滚转－偏航耦合－俯仰耦合的机理进行分析，然后，在不影响问题本质的前提下提出了一些假设条件，将研究惯性耦合的六自由度全量方程进行简化，求出急滚稳定性判据，以某型机为例，计算出其惯性耦合特性，用急滚稳定性判据进行了分析，并进行了验证 。     

GPS／INS组合导航系统松、紧耦合性能比较

对GPS/INS组合导航系统的紧耦合算法进行了理论推导。详细分析了当INS元器件性能变差时,GPS/INS组合导航系统在不同耦合模式下的定位精度变化规律,得出采用紧耦合模式的组合导航系统比一般的松耦合方式能获得更好的定位精度;并通过仿真验证了该结论的正确。     

阶跃光纤端面球透镜耦合的最佳耦合效率

采用光纤端面球透镜耦合方式,是提高半导体光源与阶跃折射率光纤之间耦合效率的简单实用的方法。对半导体光源与阶跃折射率光纤之间,采用光纤端面球透镜耦合方式的耦合效率进行了深入研究,得出了最大耦合效率及对应的球透镜最佳半径的计算公式。     

多转子系统振动分析的子结构耦合矩阵法

提出了一种用于多转子耦合系统振动分析的建模方法.将耦合的多转子系统在耦合处分开,把耦合力作为单转子系统上的外力,利用集总参数法和节点的自由振动微分方程通式建立单转子系统的振动方程.通过分析耦合部件作用在耦合节点上的力,得到了多转子系统耦合部件的耦合矩阵;利用耦合矩阵将单转子系统振动微分方程耦合在一起,建立了整个多转子系统的振动方程.通过分析多转子系统的振动方程,解出了多转子系统的固有频率、临界转速、幅频响应曲线、涡动轨迹等.通过两个算例,证实了多转子系统振动分析的子结构耦合矩阵法是可行的,计算结果是可靠的.      

离心式压气机耦合松弛多学科设计优化方法

为提高多学科设计优化的寻优效率,以离心式压气机为对象,开展了耦合松弛多学科设计优化方法的研究.针对松散耦合方法建立的离心式压气机的流-热-固耦合分析模型,为了避免反复迭代导致的分析、优化时间过长,构建了分层次的离心式压气机耦合松弛优化设计系统.在气动优化中采用全局寻优算法探索系统最优气动设计方案;在耦合优化阶段,综合考虑学科间耦合及相互作用,在气动优化的基础上局部寻优校验气动优化结果并得到最终设计方案.这种不同复杂层次模型的优化设计有效缩减了系统优化设计周期.     

斜置翼布局飞机的飞行动力学模型研究

从机理上分析了斜置翼布局飞机的气动耦合及惯性耦合特性;对其六自由度动力学模型进行了建模及纵横耦合线性化;以F-8 OWRA(Oblique Wing Research Aircraft)为算例,对其机翼斜置角为45°时的操纵响应特性进行了仿真计算及分析,仿真结果体现了斜置翼布局飞机纵横耦合的运动特性,说明所建立的动力学模型是可靠的。     

飞行器气动/结构多学科延迟耦合伴随系统数值研究

基于自主研发的大规模并行结构化网格雷诺平均Navier-Stokes（RANS）求解器PMB3D以及流固耦合代码FSC3D建立了飞行器静气动弹性数值模拟技术,进一步基于并行化伴随方程求解器PADJ3D,开展了Navier-Stokes方程与结构动力学方程耦合离散伴随的推导、构造。对各个学科伴随变量进行延迟处理,进行耦合伴随系统的解耦,学科之间的影响通过右端强迫项的形式在方程中体现,通过松耦合形式进行各个学科方程右端项数据传递,各个学科的伴随方程一定程度上能够相对独立,进一步实现了基于LDLT方法的结构伴随方程的高效求解;对典型客机柔性机翼进行梯度信息求解,并与考虑气动弹性影响的差分结果进行对比分析。数值模拟结果表明,延迟耦合伴随形式更有利于保持原有程序结构形式以及程序模块化,梯度计算精度完全满足优化设计需要,能够为柔性机翼飞行器气动/结构多学科优化设计提供研究基础与技术平台。     

关于曲管振动声弹耦合程度的研究

讨论3种不同圆心角的两端固支曲管在其平面内的声弹耦合振动及其影响因素。研究了流体固体的刚性比α、截面特性比γ和质量比β等因素对声弹耦合程度的影响以及对系统声弹耦合振动频率的影响。结果表明,α与γ的乘积ζ是影响曲管声弹耦合振动的重要参数。随着ζ的增加,结构振动与流体声波压力脉动由非耦合变为耦合。二者的耦合导致系统特征值迅速下降,直至失稳。     

基于LabVIEW的直升机发动机控制—机械扭振系统耦合稳定性分析

直升机发动机控制系统与传动系统所构成的耦合闭环系统在某些情况下可能会失稳,造成严重的后果,所以在设计时需要确保其为耦合稳定。本文首先分析了耦合系统失稳的原因,然后以LabVIEW为开发工具对实际直升机系统进行建模,输入各部分的传递函数,并对耦合系统的稳定性进行了分析,最后对提高系统稳定性提出了一些改进意见。     

考虑涡轮传热性能的气动设计耦合计算方法研究

为了在涡轮叶片气动型线设计过程中同时提高气动效率并保证传热性能,提出了一种基于一维管道网络法和三维CFD的耦合计算方法,分别采用管网/三维耦合计算方法和全三维耦合计算方法对MARK-II冷却叶片多个工况进行计算,两种数值计算方法计算结果与实验数据交叉对比,以验证本文计算方法可行性。计算结果表明,两种数值计算得到的叶片型面压力、温度、换热系数和实验值都比较吻合,但管网/三维耦合计算得到的壁面温度相比全三维耦合计算结果整体略微偏低,最大偏差不超过3.89%。基于管网/三维耦合计算方法对某航空发动机涡轮第二级动叶叶片型线优化设计,气动效率提高0.34%,壁面平均温度几乎没有变化。     

两电缆间电磁耦合预测

飞机上电缆之间的电磁干扰是普遍存在的,大多数干扰现象发生在同一线束中的导线之间。本文介绍了两电缆之间电磁耦合的预测方法,并提出了降低电磁耦合的措施。     

复合喷管热结构耦合计算的一种策略

基于流固耦合完成复合喷管流动换热、传热过程温度场的数值模拟,编写了计算流体动力学(CFD)与有限单元法(FEM)的接口程序,快速实现温度载荷和机械载荷数据的传递,提出了复合喷管热结构耦合计算一种策略.利用直接约束法考虑了复合喷管部件界面问高温碳化带来的边界非线性因素.计算结果表明耦合方法得到的复合喷管温度场是合理的,高...     

一种直升机运动模态中纵横向耦合分析方法

提出了一种定量分析直升机纵横向耦合特性的方法,包括运动模态中状态量间耦合作用的幅值特性、时间特性和积分特性。幅值特性描述耦合作用的相对强弱,时间特性描述耦合作用起增强/减弱作用的时间比例,积分特性描述耦合作用引起状态量发散/收敛的快慢。将该方法应用于“美洲豹”直升机悬停状态的典型纵向振荡模态,对比分析了该运动模态纵横向分离和纵横向耦合情况下状态量之间的耦合特性。分析发现,纵横向耦合使得横向速度和滚转角速度对俯仰角速度产生耦合,耦合强度是纵向速度对俯仰角速度耦合作用的近3倍,并加快了俯仰角速度的发散。纵横向耦合显著改变了该运动模态的耦合特性,进而影响了其稳定性。      

耦合电感在正负输出开关电源中的应用

本文通过对正负输出电源特性的分析,阐述了耦合电感在解决正负输出电源交叉调节问题中的独特作用,并通过对耦合电感建立数学模型分析了耦合电感对正负输出电源电路性能的影响,通过对耦合电感的研究使我们掌握了实现正负输出电压稳定的开关电源设计方法,并在惯测系统配套的电源变换器中得以应用验证。     

复合喷管热结构耦合计算的一种新的策略

基于流固耦合完成复合喷管流动换热、传热过程温度场的数值模拟,编写了计算流体力学(CFD)与有限单元法(FEM)的接口程序,快速实现温度载荷和机械载荷数据的传递,提出了复合喷管热结构耦合计算一种新的策略。利用直接约束法考虑了复合喷管部件界面间高温碳化带来的结构边界非线性因素。计算结果表明耦合方法得到的复合喷管温度场是合理的,高温下界面间结构功能退化问题对于变形特征以及应力场影响很显著。     

二阶时间精度的CFD/CSD耦合算法研究

非线性气动弹性分析中,涉及到非线性流体动力学(CFD)和非线性结构动力学(CSD)的耦合计算问题。本文分析比较了目前几种耦合算法:全耦合、松耦合和紧耦合,并从耦合边界能量传递守恒上就松耦合及紧耦合方法进行了时间精度的分析,得出传统松耦合中即使流体和结构子系统达到高阶时间精度,耦合算法的时间精度仍仅为一阶,紧耦合方法虽然可以达到二阶时间精度,但没有明显提高计算效率。随后,本文基于松耦合流程改进了耦合格式,分析表明其具有二阶时间精度,通过AGARD445.6机翼颤振模型的算例验证,说明该方法可以在保证计算精度的基础上明显提高计算效率,并保持了传统松耦合方法模块化的优点,在模拟非线性气动弹性问题时具有很高的优越性。     

简单热带海气耦合模型中的缓慢扰动

本文在局地热平衡情况下讨论简单模式中的热带海气耦合扰动,指出参数ＫＨＫｓ和α决定着耦合扰动性质,并研究了使用抛物线柱函数展开时所截项数多寡对耦合扰动性质的影响以及对称和反对称于赤道的耦合扰动特征。     

叶轮机械中的多场耦合分析技术

介绍了在叶轮机械设计中使用多物理场耦合进行设计分析的发展状况,对叶轮机械中的多场耦合进行分类,阐述了应用多场耦合进行设计分析的必要性。