典型超声速/高超声速动导数计算方法研究

以当地流活塞理论为基础完成超声速/高超声速动导数计算公式推导,发展了一种高效的动导数计算方法.选取1个超声速、2个高超声速动导数算例标模,计算了超声速/高超声速下飞行器动导数变化规律.研究结果表明:BFM超声速流动算例的俯仰组合动导数绝对值随马赫数的增大而减小,计算重心位置后移亦会导致俯仰组合动导数绝对值减小,纵向动稳定性降低;在0° ～20°迎角范围内,高超声速流动中的尖锥和钝头旋成体俯仰组合动导数绝对值随迎角的增大而增大,纵向动稳定性增强;所提方法计算时间约为双时间动导数计算方法的1/27.     

稳定性导数计算方法研究

稳定性导数的准确计算对于飞行器的操稳特性具有重要意义.应用计算流体力学(CFD)方法中的非结构化动网格技术建立能够模拟飞行器做周期性俯仰运动的强迫振荡法,以国际动导数标模Finner导弹为验证算例,获得不同马赫数下俯仰力矩系数的迟滞环曲线,进而计算Finner导弹在不同马赫数下的静稳定性导数和动稳定性导数.结果表明:本文计算得到的俯仰静稳定性导数与试验数据非常接近;在亚音速和超音速范围内,动稳定性导数计算结果与试验值很接近,但在跨音速范围内,本文计算结果与试验曲线的规律性一致,但误差较大.     

翼型纵向俯仰非定常气动力研究

飞行器飞行时受到的非定常气动力是飞行器设计以及机动飞行中须考虑的一个重要因素。采用CFD方法数值模拟了NACA0012翼型在马赫数从0.2~5.0范围变化时做强迫振荡的非定常流场。通过积分法计算了在不同马赫数时翼型的俯仰动导数。计算结果表明,迟滞效应随马赫数的增大先增大后减小,在跨声速区域迟滞效应达到最大;迟滞环的绕向在跨声速区域为顺时针方向;迟滞环顺时针绕向时,动导数大于零,模型动不稳定,逆时针绕向时,动导数小于零,模型动稳定;旋转角速度越大,翼型表面非定常气动效应越明显。     

超/高超声速飞行器动态稳定性导数极快速预测方法

飞行器设计早期阶段需要预测大量工况下的动导数。本文发展了一种面向超/高超声速飞行器的动导数极快速预测方法：首先基于当地流活塞理论,将飞行器进行小幅非定常运动所受到的气动力分为受自由来流引起的无附加扰动项以及受物面变形或运动引起的附加扰动项;通过当地表面斜度法、激波后等熵关系求解物面当地流动参数,进而结合非定常运动规律求出飞行器所受非定常气动力;再采用待定系数法对非定常气动力进行提取、辨识,最终得到超/高超声速飞行器动导数。该方法克服了传统方法对CFD流场参数的依赖和耦合,具有极高的计算效率;同时典型算例验证表明,该方法在超声速、高超声速工况下都能够很好预测动导数变化趋势。将该方法应用于复杂外形飞行器动导数预测,并讨论了与CFD方法的误差来源。本文方法可作为高速飞行器总体设计阶段布局选型的工具。     

平头增阻再入体俯仰动态特性计算与流动机理分析

采用自由振荡法数值模拟了一种平头增阻再入体的高超声速俯仰动态特性,沿用稳定性导数模型作为动态特性的指标,通过把稳定性导数视为攻角的函数来考虑非线性影响,并应用奇异分解线性最小二乘法辨识稳定性导数。对于本文研究对象,计算结果表明,平头外形在较高马赫数和小攻角范围内存在动不稳定现象,随着再入时马赫数的降低,动不稳定的攻角范围不断缩小,直至演化为动稳定的。文中对平头外形出现这种动态特性现象的空气动力学原因进行了分析,有必要作进一步的确证与研究。     

小迎角高超声速非旋转钝锥非线性运动分析

采用分段拟合技术对小迎角高超声速(马赫数Ma=6)非旋转钝锥双平面拍摄风洞自由飞试验结果进行了分析,获得了非旋转钝锥在小迎角高超声速下气动导数非线性的具体形式,分析了非旋转钝锥在小迎角下的非线性运动特点。研究发现在小迎角范围内钝锥的动导数系数均呈现明显的非线性,而静导数系数非线性较弱,可近似为线性。各组试验的静、动导数系数的非线性形式表明,除模型Ⅱ外的其余模型均为两方向振幅不同的极限圆锥运动,模型Ⅱ为极限平面运动。每组试验两个平面的静导数系数在小迎角范围内保持基本相等。而无论出现极限圆锥运动的四组试验还是出现极限平面运动的一组试验,模型在俯仰和偏航两个方向的动导数系数均存在较大差异。     

高超声速壁面黏性力快速计算方法

当前高超声速飞行器壁面黏性力的预测方法主要有精确的Novier-Stokes方程CFD方法(计算流体力学)和快速工程计算方法。前者计算精度高,但效率很低;后者效率极高,但精度难以满足工程应用要求。如何将两种方法有效结合,发展具有一定精度且效率也较高的壁面黏性力计算方法,一直是计算空气动力学研究的重要方向之一。为此,本文基于无黏Euler方程CFD方法获得的壁面流场参数,发展了一种更加精确的高超声速飞行器壁面黏性力快速工程计算方法。该方法以经典参考温度法为基础,以壁面当地流场参数替代自由来流参数,更加充分地考虑了高超声速复杂流动的特性,从理论上提高了壁面黏性力的预测精度。为验证该方法的准确性,以典型高超声速高升阻比飞行器外形为研究对象,分别采用精确Navier-Stokes方程CFD方法和本文发展的快速工程计算方法,预测了高空高马赫数飞行环境下飞行器壁面的黏性力;通过对比分析表明,本文所建立的快速计算方法预测偏差为10~20%,能够满足工程初步设计的要求。     

更准确、更精确、更高效——高超声速流动数值模拟研究进展

从准度、精度和效率3方面回顾了近几十年来高超声速流动数值模拟研究的进展。在物理模型方面,介绍了高超声速数值模拟中高温气体效应、稀薄气体效应以及湍流效应的建模与模拟,基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程重点对现阶段较为关注的高超声速边界层转捩的模式理论研究进行了介绍。在空间离散算法方面,主要介绍了高超声速数值模拟中常用的二阶精度迎风格式以及高阶精度格式的发展及其应用。在时间推进方面,主要回顾了隐式时间推进方法的发展及其应用。在误差和不确定度估计方面,主要介绍了其概念、来源以及常用的分析方法,同时给出了迭代误差估计、Richardson外插法以及敏感性导数方法等初步研究结果。最后,讨论了高超声速流动数值模拟中下一步需关注的问题。     

考虑多种物理效应的钝锥俯仰稳定性参数影响分析

首先采用二阶ROE格式计算了非定常NS方程下高超声速钝锥体的俯仰阻尼导数,通过与文献中内伏牛顿法和实验结果对比验证了本文所采用非定常计算方法的正确性.同时采用二阶ROE格式及双时间步长、刚性旋转动网格技术等,数值分析了NS方程计算条件下高空高马赫数钝锥体模型的强迫振动非定常流场特征,并运用最小二乘法辨识出其俯仰静稳定性导数与俯仰阻尼导数.通过计算结果对比分析了不同高度(含稀薄气体效应)、Maxwell滑移边界条件及五组元化学非平衡模型对钝锥体模型非定常流动特征及静、动导数的影响.结果分析表明,本文所计算的钝锥模型在所假设强迫振动下的俯仰稳定性参数随高度变化剧烈,且考虑滑移边界条件与化学反应会使得俯仰力矩迟滞曲线形态发生较大程度改变.准确计算高空、高马赫数条件下飞行器俯仰阻尼导数应考虑化学非平衡效应和稀薄气体效应的影响,是否考虑这些物理效应会关系到飞行器静、动稳定的程度.     

基于CFD数值仿真技术的飞行器动导数计算

为了研究表征飞行器动态稳定特性的动导数,结合计算流体力学方法,基于滑移网格技术,采用小幅度强迫振动法和差分法两种非定常方法,推导了俯仰组合动导数以及滚转阻尼导数的计算表达式,并结合多参考系模型采用准定常方法计算滚转阻尼导数。建立了基于计算流体力学技术的飞行器动导数计算方法。对国际动导数标模Finner导弹进行了计算验证。两种非定常方法对俯仰组合动导数的计算误差分别为0.65%、6.13%,对滚转阻尼导数的计算误差分别为2.5%、0.06%。求解滚转阻尼的准定常方法对于滚转阻尼导数的计算误差为2.67%。三种方法的计算结果与风洞试验结果吻合的很好。非定常方法计算精度高,准定常方法可以快捷迅速得到结果。本文的数值方法不仅适用于超声速,同样可以用于亚、跨声速时的动导数计算。     

基于图形法的仿生拓扑优化方法

针对图形系统自动生成图形拓扑形式的优势,提出了一种以隐式方式表征结构拓扑形式的分步拓扑优化设计方法。该分步优化方法首先以基结构法（ground structure method）的计算结果为基础,并通过均匀化方法得到设计区域内的离散拓扑信息,利用第一步所得的拓扑数据指导分形系统中每一级新增拓扑结构的生长方向,以类似细胞分裂生长的形式完成整体结构拓扑形式生成。最后以参数化建模方式完成模型的结构有限元的批量计算,并结合进化算法,完成对设计模型的优化。其中第一个案例通过本文仿生方法在多目标优化方法下得到了近似Michell结构的最优拓扑结构,第二个方案中机翼蒙皮的屈曲载荷系数提升了10.61%,并且质量降低了10.85%,验证了本文方法在类平面结构拓扑优化方面的可行性。      

基于泰勒展开法的转子系统动力特性区间分析方法

对转子系统动力特性运用一种非概率-区间分析方法进行分析.基于区间数学和1阶泰勒展开理论的区间分析方法将非确定参数支承刚度和连接结构刚度视为区间向量,运用泰勒展开法建立了转子系统固有频率的公式.区间分析方法降低了传统的概率分析方法对不确定参数信息的过分要求,为解决含有非确定参数的转子系统动力特性问题提供了一个途径.应用区间泰勒展开法和概率方法对数值算例进行了分析,并比较了结果.当参数非确定性小于20%时,计算得到的转子系统固有频率区间上下界与真实值区间上下界误差小于2.2%.建立了转子系统动力特性试验装置,试验结果验证了方法的有效性.      

基于积分法的热流后处理方法

傅立叶定律统计热流时的扰动放大机制和数值计算格式的数值耗散是壁面热流网格依赖性强的主要原因,扰动放大机制同时也是热流收敛速度慢的主要原因。对边界层特征明显的流动的N-S方程数值求解,提出了积分法热流计算方法,热流由傅立叶定律统计的热流项和粘性功两项组成。平板层流、钝锥绕流气动加热算例表明计算结果的网格依赖性明显降低,收敛速度加快,为提高热流计算的可靠性和计算效率提供了一条新的思路。     

基于模型的双转子-支撑系统快速故障识别方法

建立了双转子-支撑系统的有限元模型,模拟了质量不平衡故障和局部轴弯曲故障下的振动信号.根据有限元模型,提出了基于模型的双转子-支撑系统故障识别方法,依次通过单一故障遍历、双故障遍历和三故障遍历方法,实现了故障快速准确识别.仿真结果表明:该方法能够准确识别单一故障和多故障,同时确定故障发生的位置、严重程度和相位情况,优化了故障识别过程,理想情况下减少了98.9%的计算量,加快了故障识别的速度.此外,比较了添加了不同信噪比噪音信号的诊断结果,诊断结果相对误差控制在1%左右,表明该方法具有良好的抗噪声干扰的能力.      

仿真结果距离检验方法和TIC方法对比分析

针对仿真结果动态一致性的检验,将距离检验方法和TIC(Theil's inequality coefficient)方法进行了对比分析.距离检验方法可以在一定显著性水平下给出一致性检验的拒绝域,在时域内实现了定量检验.TIC方法的检验指标是TIC系数,经过研究发现,TIC系数的计算结果可以通过坐标原点的选取而进行人为调整,大大增加了误判的可能性,所以TIC方法既不能定量检验,也不能有效的定性检验.对比研究表明:距离检验方法不受量纲、坐标原点选取等因素影响,其检验结果具有更高的可信性.      

性能退化双线性过程方法与成组试验方法的比较

针对性能退化可靠性分析问题,将双线性过程方法与成组试验方法进行了对比分析.首先,从理论层面阐述了双线性过程方法和成组试验方法对性能退化数据的建模过程,可以发现:双线性过程方法通过将性能退化数据作为一个整体进行统计分析,能够避免两步估计造成的信息浪费,提高分析精度.其次,以窗雨刮器开关性能退化试验为例进行了对比分析,结果表明,双线性过程方法共有2.5%的试验数据位于概率为90%的百分位值曲线估计结果上方,符合工程实际需要,而成组试验方法共有15%的试验数据位于百分位值曲线估计结果上方.此外,基于残差分析的模型检验结果表明双线性过程方法更为合理.     

基于水平集方法的连续体结构拓扑优化方法研究

考虑到现有各种连续体结构拓扑优化方法的优缺点,提出了一种新的连续体结构拓扑优化新策略。该方法将无网格法和水平集方法结合起来,充分发挥各自的优点,使得该拓扑优化新策略具有良好的收敛性和计算精度。     

基于LTSA融合降维法的滚动轴承可靠性评估方法

为了保障滚动轴承在给定工况下安全平稳地运行,提出了一种基于局部切空间排列(LTSA)和威布尔比例故障率模型(WPHM)的滚动轴承可靠性评估方法.该方法提取滚动轴承整个寿命周期的时域、频域、时频域及统计等不同分析域上的特征指标,从中筛选出包含滚动轴承运行状态的特征指标,构建出高维多域特征集;利用局部切空间排列算法对高维多...     

自校准Kalman滤波方法

提出一种自校准Kalman滤波方法(SKF),建立SKF模型及其滤波递推算法.在深空探测、发动机故障诊断等许多工程实际中,由于未知输入(如突风、故障、未知的系统误差等)的影响,传统的Kalman滤波方法在滤波递推过程中会产生较大误差.文中提出的自校准Kalman滤波方法能够自动补偿这种未知输入的影响,提高滤波精度.从某飞行器仿真中可以看到,SKF的滤波误差均值和方差分别比传统的Kalman滤波方法降低了400%和300%以上,有效地改善了滤波效果.并且该方法计算简单,便于工程应用.