PID控制器与CFD的耦合模拟技术研究及应用

飞行控制系统（FCS）与计算流体力学（CFD）的耦合求解是一个崭新的研究领域。传统的飞行控制系统的工程仿真方法依靠气动力模型或气动力数据库得到不同飞行姿态的气动力;而当前方法通过耦合求解Navier-Stokes方程和刚体动力学方程（RBD）以获取飞行器运动过程实时流场和非定常气动力。由于充分反映了气动力的非定常、非线性效应,因而从根本上保证了飞行控制系统仿真的精度。以方形截面导弹俯仰姿态控制为例,首先给出了系统的传递函数,并基于系统在单位阶跃舵偏操纵下的开环响应特性,提出了传递函数的修正方法,进而设计了该外形俯仰姿态控制的PID控制器。数值模拟了不同控制参数时,P控制器、PD控制器和PID控制器的控制效果。针对不同的控制指令,根据建立的控制律,数值模拟了飞行器在PID控制器作用下的实时响应过程,最终成功实现了对飞行器的俯仰姿态控制。研究发现,当飞行器作慢速机动时,工程仿真与CFD数值计算的结果吻合很好,两种方法可以互相验证;但快速机动时,两种方法给出的结果差异明显,基于CFD的耦合模拟方法由于模拟了飞行器运动和舵面偏转导致的非定常流动过程,其结果比基于静态气动力的工程方法的可靠性更高。在大攻角和快速机动等非定常效应较强时,采用CFD方法评估和验证飞行控制系统是很有必要的。     

面向复杂构型飞机的非定常气动力建模与辨识

不论是现代高机动隐身战斗机的设计需求还是常规布局飞机的飞行动力学分析,深入研究大迎角飞行时的非线性非定常气动力模型都极其重要。基于纵向运动小振幅及大振幅强迫振荡试验数据,分析了常规稳定导数模型的准确性,并从导数模型出发发展了简化涡流和分离流时间迟滞效应的非定常气动力线性模型和非线性模型,最后应用风洞典型机动历程模拟试验验证了模型的有效性。结果表明：对于复杂构型高机动飞机模型,发展并改进的非线性微分方程模型可以准确预测飞机不同机动下的非定常气动力特性,具有较强的工程可行性。     

Challenges in high-alpha vehicle dynamics

The evolution of aerospace vehicles towards ever-increasing maneuverability, including flight at high angles of attack and vehicle motions of large amplitudes and high angular rates, has led to the need for prediction of vehicle aerodynamics that are dominated by unsteady separated flow effects. The existing data base is reviewed to determine to what degree the following critical issues are understood: 1. Cause and effect of asymmetric forebody flow separation with associated vortices. 2. Cause of slender wing rock. 3. Effect of vehicle motion on dynamic airfoil stall. 4. Extrapolation from subscale tests to full-scale free flight. To extend the present knowledge to include the coupling existing between novel aerodynamic controls and the vehicle dynamics is the challenge facing designers of future agile aircraft operating at high angles of attack.     

跨声速机翼静气动弹性数值分析方法

本文给出一种以改进的跨声速守恒型全位势有限体积法为基础的机翼静气动弹性数值分析方法。改进发展了气动网格划分技术，使其对大后掠三角形机翼也能顺利适用。采用位移法计算机翼柔度影响矩阵。将非线性气动力与结构线化机翼弹性变形耦合迭代求解。当气动力和结构变形均收敛后，即求出弹性机翼的气动特性。通过算例计算，表明气动方法改进是成功的，弹性结果是合理的。跨声速范围弹性影响大，值得注意。     

方形截面飞行器上仰机动对滚转特性影响的数值模拟

飞行器从中小迎角至大迎角范围内,由于背风区流动分离形态的演化,静态气动特性特别是横侧向气动特性也随迎角显著变化,可能诱发复杂的滚转运动。但飞行器一般是上仰机动时,才从平飞状态快速拉起至大迎角,此机动过程对横侧向气动特性和滚转运动可能产生较大影响。本文发展了刚体动力学方程和Navier-Stokes方程的松耦合求解技术,并通过数值模拟航天飞机脱落碎片的六自由度运动轨迹进行了验证。针对背风区涡流形态及横侧向气动特性复杂的方形截面飞行器,数值模拟研究了其不同迎角下的静态滚转气动特性、自由滚转运动特性,以及上仰机动时不同拉起速率对滚转运动特性的影响。结果表明,对于此飞行器,静态时存在临界迎角约为13°,当迎角小于临界迎角时,滚转方向是静不稳定的,诱发快速滚转运动;当迎角大于临界迎角时,滚转方向是静稳定的,其滚转运动是收敛的。但上仰机动时,滚转运动的形态还与拉起速率相关,即使拉起的终止迎角大于临界迎角,如果拉起速率较慢,也可能出现快速滚转运动。     

直升机旋翼桨-涡干扰状态非定常气弹载荷高精度预估

为准确计算直升机旋翼在复杂的桨-涡干扰(BVI)状态下的气弹载荷,在刚性旋翼计算流体力学方法中引入桨叶弹性变形的影响,建立了一套适合于弹性旋翼BVI状态气动特性分析的计算流体力学/计算结构力学(CFD/CSD)耦合方法.CFD模块对Reynolds averaged Navier-Stokes(RANS)/Euler方程进行求解,并采用双时间法推进和Baldwin-Lomax(B-L)湍流模型.CSD模块采用中等变形梁假设的有限元模型,通过Newmark-Beta方法求解桨叶运动方程.通过代数变换方法进行桨叶网格变形,并建立一个适于流场/结构信息交换的CFD/CSD耦合方法.在分别验证CFD和CSD模块的有效性的基础上,开展UH-60A直升机旋翼的BVI 状态载荷分析,并与飞行测试数据进行了对比.计算结果表明:相比于旋翼综合分析中的升力线理论和刚性旋翼CFD方法,耦合的CFD/CSD方法可以更准确地预测BVI状态气弹载荷,并有效地模拟桨叶前行侧方位角和后行侧方位角附近的BVI现象,对BVI导致的升力波动幅值和相位的计算结果均与试验值吻合良好.      

细长旋成体大迎角非定常运动数值研究

利用DES方法对处于非对称流态下的细长旋成体进行了俯仰和偏航振荡的数值模拟,观察细长体气动特性尤其是背风面非对称分离涡的变化。计算结果表明在大迎角非对称多涡系情况下,固定频率和振幅的非定常运动可以改变流场结构和气动力,对细长体背风面流态有巨大的影响。俯仰振荡对非对称分离涡有明显的控制作用,抑制流场的非对称性,使分离涡趋于对称;而固定频率的偏航振荡则破坏背风面分离涡的稳定性,激励非对称背涡产生随时间变化的周期性脱落。所进行的非定常运动与细长体流场耦合作用研究在国内外研究尚少。     

Unsteady aerodynamics and flow control for flapping wing flyers

The creation of micro air vehicles (MAVs) of the same general sizes and weight as natural fliers has spawned renewed interest in flapping wing flight. With a wingspan of approximately 15 cm and a flight speed of a few meters per second, MAVs experience the same low Reynolds number (10⁴–10⁵) flight conditions as their biological counterparts. In this flow regime, rigid fixed wings drop dramatically in aerodynamic performance while flexible flapping wings gain efficacy and are the preferred propulsion method for small natural fliers. Researchers have long realized that steady-state aerodynamics does not properly capture the physical phenomena or forces present in flapping flight at this scale. Hence, unsteady flow mechanisms must dominate this regime. Furthermore, due to the low flight speeds, any disturbance such as gusts or wind will dramatically change the aerodynamic conditions around the MAV. In response, a suitable feedback control system and actuation technology must be developed so that the wing can maintain its aerodynamic efficiency in this extremely dynamic situation; one where the unsteady separated flow field and wing structure are tightly coupled and interact nonlinearly. For instance, birds and bats control their flexible wings with muscle tissue to successfully deal with rapid changes in the flow environment. Drawing from their example, perhaps MAVs can use lightweight actuators in conjunction with adaptive feedback control to shape the wing and achieve active flow control. This article first reviews the scaling laws and unsteady flow regime constraining both biological and man-made fliers. Then a summary of vortex dominated unsteady aerodynamics follows. Next, aeroelastic coupling and its effect on lift and thrust are discussed. Afterwards, flow control strategies found in nature and devised by man to deal with separated flows are examined. Recent work is also presented in using microelectromechanical systems (MEMS) actuators and angular speed variation to achieve active flow control for MAVs. Finally, an explanation for aerodynamic gains seen in flexible versus rigid membrane wings, derived from an unsteady three-dimensional computational fluid dynamics model with an integrated distributed control algorithm, is presented.     

大迎角非定常气动力数学模型研究

对建立纵向大迎角非定常气动力模型的状态空间法进行了分析。针对模型形式复杂、待辨识参数过多的问题,提出了减少参数的新模型。新模型保持状态方程不变,简化了输出方程。结果表明,改进的模型简化了辨识过程,可同时表现气动力非线性与非定常的基本特性,准确预测动态气动力。     

耦合六自由度运动弹性飞机阵风响应数值模拟

耦合飞机刚体六自由度运动,考虑飞机结构气动弹性变形,基于全湍流Navier—Stokes方程流场数值模拟方法．建立了离散阵风作用下弹性飞行器气动载荷与飞行姿态响应的数值模拟技术。其中模态空间中结构动力学方程以及六自由度运动方程分别采用四阶R—K进行时间推进求解,采用RadialBasicFunction（RBF）技术进行气动／结构数据耦合。对应飞机姿态以及弹性变形采用RBF与TFI组合模式的动网格方法进行网格更新;以飞翼布局弹性飞机为数值研究对象,研究了离散阵风作用下飞行器的气动载荷响应以及飞行姿态的变化,对比分析了刚性飞行器与弹性飞行器对离散阵风响应的区别,为进一步系统地分析真实飞机飞行品质提供数值平台。     

高机动导弹气动／运动／控制耦合的风洞虚拟飞行试验技术

解决先进飞行器大迎角高机动飞行时的气动／运动非线性耦合问题,需要发展基于非线性理论的风洞试验技术,即风洞虚拟飞行试验技术。该试验能够实现较为逼真的模拟飞行器机动运动过程,气动和运动参数的实时同步测量,以及飞行控制律的集成验证与优化,从而达到探索气动／运动耦合特性和机理的目的。本文介绍了风洞虚拟飞行试验的模拟方法、关键技术及其解决措施,并针对典型导弹模型开展了虚拟飞行验证试验。试验结果表明：目前已经初步具备适用于导弹模型跨声速气动／运动／飞行控制一体化研究的风洞虚拟飞行试验能力。     

地效飞机的纵向稳定性和气动布局特点研究

分析了地面效应对飞机气动力特性的影响,以及地效飞机不同于常规飞机的纵向稳定性准则,包括重心与迎角焦点和高度焦点的位置关系、影响其纵向稳定性的主要气动导数等。研究结果表明,地效区内飞机的气动力随高度呈非线性变化,而重心必须位于迎角焦点与高度焦点之间并且靠近高度焦点才能保证地效飞机的纵向稳定性。最后根据地效飞机的稳定性准则,讨论了保证地效飞机良好飞行品质的气动布局要求。     

基于CFD／CSD的大展弦比机翼气动弹性分析

大展弦比飞机在飞行过程中受气动载荷影响,其大展弦比机翼产生弯曲和扭转变形,这种弹性变形严重影响飞机的飞行性能和飞行安全,不能将此种飞机机翼当作传统的刚性机翼进行气动分析。针对一大展弦比机翼,采用气动／结构耦合分析方法,利用计算流体动力学（CFD）软件CFX和计算结构动力学（CSD）软件ANSYS联合求解,研究了在不同载荷情况下大展弦比机翼静气动弹性变形对机翼气动特性的影响。结果表明,大展弦比无人机机翼受载变形后升阻比降低,升力下降明显,阻力略有上升,机翼翼尖容易失速。     

跨大气层飞行器RCS干扰数值模拟研究

针对跨大气层飞行器外形,开展了超声速流动中的侧向喷流干扰问题研究。数值模拟了一定高度和飞行马赫数条件下不同喷流控制形式的干扰现象。结果表明:由于喷流与来流的相互作用,使流动变得相当复杂,相应的气动力发生变化,喷流所引起的气动干扰因子随高度的变化较为剧烈,但随攻角、马赫数的变化却比较平稳。喷流与来流的相互干扰随高度增加而变弱,在一定高度可以忽略这种干扰。     

弹性飞行器纵向稳定性问题

 本文研究考虑气动弹性时飞行器的纵向稳定性问题。首先由弹性飞行器的纵向扰动运动方程出发,导出了便于计算采用的弹性飞行器纵向扰动方程的标准矩阵形式,作出作为控制对象的弹性飞行器在考虑一阶、二阶及三阶振型时的传递函数;其次分析气动弹性对整个飞行器系统的稳定性的影响,并提出对飞行器自动驾驶仪敏感元件的可能合适位置选择的要求。最后还建立了计算气动弹性对飞行器气动导数值影响的理论式。     

非定常气动力作用下弹性飞行器的稳定性及耦合特性

本文对所建立的弹性飞行器非定常动力学模型,以系统矩阵和返回差矩阵讨论了这类多变量模型的稳定性,由此导出定量评价弹性飞行器系统运动变量,即姿态、弹性自由度、控制及观测变量相互间的开环与闭环耦合测度,从频域的角度描述了耦合特性,具有较状态空间分析更直观、简捷的优点。文中还以算例给予了分析和验证。     

弹性飞行器飞行载荷与动态特性分析

在综合考虑了刚体运动自由度和弹性自由度的弹性飞行器运动方程的基础上 ,采用了线性气动力的影响系数形式 ,提出了一套飞行载荷与动态特性分析的方程和方法 ,用于解决飞行力学和气动弹性力学中的静气动弹性发散、配平与结构变形、气动载荷分布、颤振与飞行动态特性等问题。算例表明 ,该方法有效可行 ,且对于大柔性飞行器 ,刚体运动模态与弹性模态之间的耦合是显著的 ,应予以重视。     

CFD/CSD方法分析动力效应对民机气动特性影响

基于Reynolds average Navier-Stockes(RANS)的三维Navier-Stokes流场控制方程耦合结构静力学方程时域分析方法,研究了带有发动机的民用飞机其动力效应对全机气动性能的影响。首先采用数值方法对发动机进排气边界条件进行了模拟,分析了带动力的涡扇发动机模型的流场,并将计算结果与实验进行比较,验证边界条件处理的准确性;以此为基础,考虑结构弹性变形,采用计算流体动力学/计算结构动力学(CFD/CSD)耦合的方法,分别对通气和带动力的翼吊发动机全机的气动性能进行了研究。结果表明:基于通气构型预测的升阻力系数,气动载荷和压心位置与考虑动力效应后的计算结果存在明显不同。弹性变形又会加剧这一差异,使得全机的升阻比下降约12.6%,升力系数下降约8.9%,压心位置后移。数值算例显示,在靠近发动机区域气动载荷受动力效应影响显著,远离该区域,弹性变形效应占主要影响因素,因此在进行带动力效应的民机气动性能分析时,考虑弹性变形的影响是十分必要的。      

汽车超车过程的空气动力特性研究

采用稳态和瞬态两种方法,对两辆车超车过程中外部流场的空气动力特性进行了数值模拟研究。采用网格变形和局部网格重构相结合的动网格技术,并耦合刚体动力学方程和PISO算法实现了汽车超车过程的三维瞬态数值模拟。通过稳态和瞬态计算,探讨了超车过程中两车纵向相对位置对气动特性的影响以及气动力对汽车行驶稳定性的影响。研究发现超车过程中被超车的阻力、侧向力和横摆力矩都有最大值,并找出了其变化规律。通过对稳态与瞬态计算结果的比较,可以看出:本文采用的瞬态模拟方法能够充分捕捉超车过程中的动态效应,优于传统的稳态模拟。     

高超声速轴对称流道冷流特征及气动力特性研究

对一种轴对称形式的高超声速飞行器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、飞行攻角全流道的流场结构和气动力特性.研究结果表明:(1)一定范围内雷诺数的变化对全流道的流动结构和模型的气动力特性无显著影响, 因此所获得的风洞实验结果有望通过某种形式推广到飞行状态下使用;(2)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;(3)研究范围内来流马赫数的变化对全流道的流动结构有着一定影响, 但研究范围内, 阻力系数随马赫数的变化幅度较小;(4)由于轴对称流道的浸润面积较大, 研究范围内该类飞行器的摩擦阻力在全机阻力中占据了较大的比重, 设计状态下达全机气动力的62%;(5)与实验结果的对照表明, 所采用的数值模拟方法具有较高的精度.