外挂物投放问题的二维非结构动态网格技术研究

以动态网格守恒型方程为控制方程,在二维非结构网格基础上发展了弹簧式光顺法和局部网格重构法两种动态网格变形技术。结合运动轨迹计算方程,将动态网格法应用于飞机外挂物投放问题中,成功模拟了导弹自由投放的整个过程,获得了详细的包括弹体运动速度、运动轨迹和受力情况等在内的丰富的流场信息。成功的应用不仅验证了动态网格法的可行性;而且也表明,动态网格法的进一步完善与发展将成为解决外挂物投放问题的有力工具。     

并行环境下外挂物动态分离过程的数值模拟

 并行工程的发展提出了计算流体力学的发展新概念,在此基础上研究开发了一个以非定常流计算为核心的多体分离数值仿真集成系统。该系统采用运动嵌套网格方法,能够处理飞行器在空间中的大尺度运动,结合六自由度运动学方程,具有实时仿真运动部件在气动力、弹射力和重力等耦合作用下运动的能力。基于外挂物投放数值模拟具有网格运动、非定常的特点,从网格重建、多重网格方法等方面探索了提高计算效率的途径和实现方法,结合并行化计算使分析周期大大缩短。以20个中央处理器(CPU)为例,并行计算和3层多重网格使计算速度提高约40倍,同时分布式存储、并发计算的特点缓解了对单节点的内存需求,解决了工程应用中受计算周期、网格规模等限制的难题。为了验证本文方法的正确性,对外挂物投放标模实验进行了数值仿真,计算得到的外挂物运动轨迹在0.5 s时间范围内与实验值基本吻合;对分离过程后半段出现的偏差,从气动力变化的时间历程上进行了说明,提出偏航力矩的误差和累积效应导致了预测出现偏离,对关键的分离初始阶段,该方法可以取得令人满意的效率和精度。     

基于嵌套网格的内埋物单侧投放影响研究

内埋物投放分离技术是新一代飞行器研制的关键技术之一。首先，基于动态嵌套非结构网格耦合求解流场非定常N-S方程和刚体动力学方程，实现了内埋物投放的精确模拟；然后，研究载机不同飞行姿态对内埋舱内左侧无挂载、仅右侧挂弹投放过程的影响。研究结果表明：正迎角工况对弹体投放分离影响较小，负迎角工况将引起弹体有较大的反方向的横向运动和偏航；负侧滑工况对弹体投放影响较小，正的小侧滑角工况下，在投放分离过程中弹体气动力和气动力矩存在较强的脉动变化；随着侧滑角进一步增大，弹体气动特性的脉动变化减小。     

外挂物干扰流场特性数值仿真研究

飞行器研制中对于带外挂物的复杂外形气动特性分析研究一直是个难点,对外挂物与挂架不同缝隙的复杂机翼-挂架-外挂物组合外形采用结构重叠网格数值方法,快捷高质地完成了网格生成,通过求解带有k-e湍流模型的Navier-Stokes方程组,得到多个计算工况下的绕流外流场,分析了外挂物在不同工况下的气动特性,结果表明,CFD数值方法可方便快捷地对复杂干扰流场进行数值计算,可为飞行器相关设计提供技术支持。     

浮标在某型飞机上投放离机时的运动轨迹计算

浮标能否安全出舱是某型飞机投放浮标试验中的关键环节。为解决这一难题,采用直角切割网格技术及有限体积法对浮标所处的流场及其所受的气动力进行了数值模拟,计算了浮标在飞机上投放离机时的运动轨迹,根据计算结果对浮标出舱的安全性进行了分析,最后对浮标提出相应的改进建议。     

外挂物连续投放和非对称投放动载荷计算

 以求解广义动力学方程为基础,分析了飞机在外挂物弹射投放时所引起的动载荷问题,实现了用直接矩阵提取方法（DMAP）计算外挂物连续投放动载荷;用半机模型计算全机外挂物非对称投放动载荷;以及未投放外挂物的多自由度动载荷计算问题。计算结果表明,该方法能有效地解决飞机的各种动载荷问题。     

三维动态非结构重叠网格Navier-Stokes方程并行算法

 提出了一种三维动态非结构重叠网格Navier-Stokes(N-S)方程的并行计算方法。N-S方程的空间离散采用格点有限体积方法,时间离散采用隐式的双时间步长方法。应用一方程Spalart-Allmaras(S-A)模型来计算湍流黏性。并行计算采用动态的区域分裂方法,在每一物理时间步利用METIS网格分区系统对网格进行分区。为了实现各CPU之间的负载均衡,每块网格都按CPU个数进行分区并对活动节点和非活动节点进行了加权处理。最后,通过对外挂物投放无黏流动的数值模拟和内埋武器弹舱开启黏性流动的数值模拟,验证了该并行程序的准确性、高性能并行计算以及处理复杂几何外形的能力。     

外挂物在飞机上悬挂的气动相关性研究

悬挂外挂物的气动相关性问题包括确定外挂物对飞机气动特性的影响;确定处于主机干扰流场中外挂物的气动特性;确定带外挂物飞机的颤振特性及确定外挂物安全投放条件等。本文试图通过歼×飞机2000多次风洞试验及其它试验和必要的计算分析对外挂物悬挂的气动相关性问题进行综合性研究和评述并给出一些结果,对一些研究方法进行了一般性讨论     

飞机外挂物投放安全性的参数影响分析

研究了飞机在不同飞行高度、速度和姿态下,不同外挂物质量对投放安全性的影响。采用CFD方法计算外挂物所受气动力,通过六自由度刚体动力学方程计算外挂物的投放轨迹和姿态变化。准定常方法在计算外挂物下落轨迹的每个步长内,认为外挂物和载机都处在定常流场中,载机在投放过程中保持原有运动状态。通过算例给出了典型外挂物在不同速度、高度、姿态下投放的运动轨迹,分析了对安全投放有重要影响的因素,提出了减少外挂物投放风险的建议。     

采用流动控制的超声速内埋物投放特性研究

针对马赫数Ma3飞行状态下的内埋物安全投放难题,提出了两种适用于非平坦舱体外形的超声速内埋物投放分离过程的流动控制方法:第一种方法采用了圆棒扰流器,第二种方法采用气帘喷流。为了验证两种不同流动控制方法的效果,引入结构嵌套六自由度动态网格技术和基于k-ω湍流模型的Navier-Stokes方程计算,对包括重力投放、弹射投放、采用圆棒扰流器的重力投放和采用气帘的重力投放等4种不同的投放分离状态进行了动态全过程的计算对比分析。通过对仿真计算结果分析发现,当来流马赫数Ma∞3时,采用流动控制的投放物分离运动特性产生了明显的变化。由投放物下落过程中的俯仰偏航特性可以得出:采用圆棒流动控制有利于安全分离;气帘流动控制具有应用潜力,但采用这种方法需要针对特定的投放条件进行优化,否则可能诱发投放物在俯仰方向的姿态发散。     

基于非结构重叠网格的二维外挂物投放模拟

本文发展了基于非结构重叠网格的动态网格技术,并提出了新的相邻单元搜索算法。非结构重叠网格集非结构网格和重叠网格的优点于一身,适合处理复杂外形和多体相对运动问题。新的相邻单元搜索算法在碰到物面时能继续搜索下去,搜索效率大大提高。非定常Euler方程的求解,采用有限体积法,时间上采用双时间步长推进。为验证算法的有效性,先对绕振荡NACA0012翼形的流动进行了模拟;然后通过耦合求解刚体三自由度运动方程,模拟了二维外挂物投放过程,结果表明非结构重叠网格在处理多体相对问题时具有优越性。     

RBF整体网格变形技术与多体轨迹仿真

在多体分离的CFD动态轨迹仿真中,计算网格需要准确刻画固壁边界之间幅度很大的相对运动。理想的状况是采用整体网格,在不增删网格节点和不改变原网格拓扑结构的条件下,通过网格变形来刻画多体边界间的相对运动。为此,以先前发展的径向基函数(RBF)网格变形技术为基础,通过引入一种改进的拉普拉斯光顺算法,大幅改善了单独RBF网格变形技术在处理大幅度边界位移时的网格质量下降和网格拓扑破坏问题,成功实现了多体分离中的超大幅度网格变形。在改进的拉普拉斯算法中,针对四面体、三棱柱、六面体、金字塔四种网格单元类型提出了一套统一的网格质量评估标准,并将其用于非结构混合网格下的拉普拉斯光顺。通过耦合求解非定常Navier-Stokes方程和刚体六自由度运动方程,利用典型跨声速下机翼与外挂物分离问题对以上网格变形和光顺技术进行验证,将计算获得的外挂物投放过程的空间位置、姿态角和气动力与风洞实验结果进行了对比分析,结果显示:在不采用网格嵌套和局部重生的前提下,与改进的拉普拉斯光顺相结合的RBF网格变形技术可以有效地解决多体分离过程中的网格大幅度变形问题,且网格质量能够满足精确刻画外挂物投放飞行轨迹的要求。     

某中空长航时无人机机载浮标分离安全性研究

研究机载浮标投放过程中气动干扰特性及浮标运动规律,对机载浮标安全投放方案的设计具有重要意义。采用计算流体力学方法对机载浮标投放过程进行数值模拟。通过动态嵌套网格技术模拟浮标运动,结合刚体六自由度运动方程求解三维非定常 N-S ( Navier-Stokes )方程,模拟基于察/打一体无人机平台的浮标自由投放过程,获得详细的包括浮标运动姿态、运动轨迹和受力情况等在内的数据信息;通过算例,验证本文数值模拟程序的准确性。结果表明:浮标投放过程中,轻质浮标口盖自由分离会对螺旋桨后推式无人机的安全性造成重大影响;考虑浮标口盖固连在浮标降落伞上的状态下,初速度为 0m / s 时投放浮标整体(包含浮标、降落伞、口盖)离螺旋桨最近距离为 0.151m ,安全余量不够;初速度为 1.8m / s 时投放浮标整体离螺旋桨最近距离为 0.671m ,满足投放安全性要求。     

内埋武器高速投放风洞试验技术

在0.6m×0.6m量级亚跨超声速风洞开展了内埋武器弹射试验技术研究。研制的风洞双视角、高亮度光路系统和六自由度(6DOF)图像分析系统,可获得飞行器内埋武器弹射投放物全轨迹图像和气动参数。此试验技术可独立调节投放物弹射速度和角速度,并可保证弹射速度误差≤5%,角速度误差≤10%,重复率≥95%;新研制的高亮度光源系统使拍摄图像清晰度更高,模型迎角辨识精度≤0.2°,有利于模型运动轨迹分析;光路系统得到合理设计,便于使用双视角技术得到模型运动轨迹及6DOF数据。新技术已完成亚跨超声速、多体干扰复杂气动力条件下的风洞试验验证,各项参数均达到或优于已有技术指标,并多次为型号试验服务,满足飞行器内埋武器弹射投放风洞试验研究需求。     

带控制律导弹投放数值模拟

基于非结构重叠网格技术,耦合舵面控制律模块,采用非定常雷诺平均NS方程,建立了模拟控制律作用下导弹投放分离动态特性的CFD数值方法.非结构重叠网格生成技术以“物面相交”方法确定洞边界,在多套网格重叠部分采用算术平均进行物理量的计算传递.采用机翼/挂架/带舵外挂物模型,以及不同的舵面控制规律展开了对比计算,分析了结果.并比较了某导弹有无控制律作用时从某战斗机分离的动态特性,研究了增加控制律的必要性.     

外挂物投放技术的数值模拟

应用Icemcfd和Cart3d软件对飞机投放外挂物的流场进行了数值模拟：对欧拉方程用有限体积法进行离散，运用自动及人工干预网格细化、多重网格技术的加速收敛、自动位置和网格更新的六自由度投掷分析，得到外挂物的分离轨迹。计算结果与AEDC的试验结果作对比，两者吻合较好。     

飞行器外挂投放数值模拟

采用非结构重叠网格Euler方程的CFD方法数值模拟了外挂投放。该方法在重叠网格"挖洞"时,以"离壁面距离"为挖洞判据;在建立重叠区域插值关系时,对Neighbor to Neighbor(N2N)和Alternating Digital Tree(ADT)两种方法的效率进行了比较。采用机翼/挂架/带舵外挂物模型开展了验证计算。在此基础上,完成了某飞行器外挂投放的初步计算。     

直升机外挂物投放安全性研究

以直升机投放外挂副油箱为例,基于计算流体力学(CFD)方法开展了直升机外挂物投放安全性计算研究。采用动态网格技术模拟外挂物副油箱与直升机的相对运动,计算研究了外挂副油箱空气舵、直升机旋翼下洗流和飞行状态对外挂副油箱投放安全性的影响规律。计算结果表明,增加空气舵有利于外挂副油箱的安全投放,但空气舵并不是越大越好;直升机旋翼下洗流对外挂副油箱投放的影响并不总是正面的,这取决于直升机飞行状态,故其影响不容忽视;而直升机的飞行速度越低、迎角越小、侧滑角绝对值越小,越有利于外挂副油箱的安全投放。     

基于非结构动态网格的翼型积冰过程数值模拟

讨论了积冰气象条件下翼型积冰过程的非结构动态网格数值模拟方法。外部无黏绕流流场采用基于非结构网格的分布式并行计算技术,空间离散采用VanLeer迎风有限体积格式,时间推进为5步显式龙格 库塔方法。采用四阶龙格 库塔方法求解过冷水滴运动轨迹方程,使用了一种合理、简单的物面水积冰量计算方法,提高了计算效率。使用非结构动态网格技术对积冰后的翼型网格进行快速调整。在对NACA0012翼型积冰形状进行校核验证后,对某型飞机在积冰气象条件下飞行时翼型积冰过程进行了数值模拟,得到了与参考文献结果相符的冰形特性。     

飞机外挂物离机过渡过程的有限元算法.

研究飞机外挂物在按给定轨迹下沉旋转的离机过渡过程中，流场非结构网格的调整和再生成方法以及过渡过程欧拉方程有限元数值解法。中指出外挂物运动时流场网格调整或再生成仅需在围绕在外挂物的一小区内进行以减少计算量，而且固定网格的欧拉方程的有限元数值解法也可适用于运动网格情况，只要将固定网格的守恒通量项Fk用运动网格的Ek来代替，并建立了Fk和Ek之间的关系。末给出了带外挂物飞机的实例计算结果。