基于直接力控制的阵风响应及阵风减缓研究

考察某无人机模型的阵风气动响应特性和基于直接力操纵的阵风减缓效果.在求解非定常Euler方程时引入“网格速度”方法模拟阵风边界条件,通过动态嵌套网格技术实现舵面运动.首先对NACA0006翼型迎角阶跃型阵风的气动力响应进行了验证计算,计算结果与理论结果、文献计算结果吻合良好.在此基础上对某无人机模型在迎角阶跃型、One-minus-cosine型阵风作用下的气动力响应过程进行了数值模拟,并分析评估了不同舵面运动方式对飞机气动性能的影响.最终研究比较了不同舵面运动方式下阵风气动响应的减缓效果.结果表明:通过合理设计舵面运动,可以有效达到抑制阵风引起的非定常气动干扰的目的.     

翼型和机翼阵风响应的数值模拟

采用有限体积法来数值求解非定常Euler和NS方程,并在非定常计算中通过引入"网格速度"来计入阵风的影响,实现了对刚性翼型和机翼阵风响应的有效数值模拟。首先采用该方法来对翼型攻角突然增大的阵风、陡边型阵风这两种典型阵风情况下的翼型气动力响应进行了计算,结果表明:计算结果与现有的一些理论结果都符合较好,与文献中计算结果也吻合,NS方程的计算结果与Euler方程计算结果在变化趋势上是一致的,但具体的数值有差别。最后针对攻角突然增大的阵风,对不同马赫数下不同展弦比平直机翼的阵风响应进行了数值模拟,得出的计算结果与文献中的计算结果一致。     

薄翼型阵风响应的数值模拟

 采用有限体积法来数值求解非定常Euler和N-S方程，并在非定常计算中通过引入“网格速度”来计入阵风的影响，实现了对刚性薄翼型阵风响应的有效数值模拟。采用该方法来对薄翼型迎角突然增大的阵风、陡边型阵风这两种典型阵风情况下的翼型气动力响应进行了计算，结果表明：计算结果与现有的一些理论结果都符合较好，与文献中计算结果也吻合。同时通过计算也表明厚翼型的阵风响应需根据工况开展进一步的计算分析。     

基于速度分裂法的翼型阵风响应及减缓数值模拟

国内现阶段飞行器阵风响应CFD模拟通常采用网格速度法（FVM）,而近年提出的更为准确的速度分裂法（SVM）目前主要针对刚性飞行器阵风响应分析。本文将SVM拓展至弹性翼型的One-Minus-Cosine阵风响应计算和减缓研究。基于动态网格系统非定常Navier-Stokes方程,将阵风条件下的速度场分解为阵风速度与背景速度的叠加,理论推导出SVM阵风模拟控制方程,结果表明,FVM是SVM忽略源项后的一种近似方法。进一步建立起弹性翼型阵风响应预测的CFD/CSD时域耦合算法和基于俯仰控制的阵风响应减缓数值模拟方法。算例分析了NACA0012刚性及弹性翼型的One-Minus-Cosine阵风响应,计算结果与文献数据一致,在此基础上分析了阵风尺度、黏性和结构弹性对阵风响应的影响。开展了NACA64A010弹性翼型One-Minus-Cosine阵风减缓模拟,结果表明：单一的沉浮速度控制输入量更有利于减缓阵风载荷峰值,而沉浮速度、俯仰角相结合的控制输入量则能同时减缓翼型的沉浮和俯仰运动。本文工作可为三维飞行器阵风响应和减缓研究提供参考。     

阵风载荷减缓系统故障分析

阵风引起的额外载荷会引起飞机结构疲劳,降低结构使用寿命。采用非定常气动力有理函数拟合方法建立时域状态空间下的动力学系统,设计了阵风载荷减缓系统。研究了阵风载荷减缓系统3种典型故障模式(副翼偏转饱和、舵机卡死、副翼偏转延时)的力学建模方法,并对机翼在阵风减缓系统故障模式下的阵风响应进行分析。仿真结果表明,3种故障模式均不利于阵风载荷减缓系统对阵风载荷的减缓,对于一些特定情况,故障模式下的阵风载荷减缓系统不仅不能减缓阵风载荷,还会带来由副翼偏转不当引起的额外负载。     

飞机连续阵风载荷计算方法应用研究

描述了连续阵风载荷计算的方法及其应用。在紊流气动力、结构振动附加气动力、弹性力及惯性力的耦合作用下,通过在频域内联立求解结构振动方程,获得了响应量(位移、载荷)的频响函数。并依据民用飞机适航条例要求进行了垂向阵风载荷计算。     

基于气动力降阶的弹性飞机阵风响应仿真分析及验证

低速飞机在阵风作用下容易产生非线性气动力,从而引发非线性气动弹性效应,对飞行安全造成威胁。针对此类问题的分析,经典面元法无法满足计算精度要求,计算流体力学(CFD)/计算结构动力学(CSD)全阶耦合分析效率低下,因此需建立满足工程应用的高精度、高效率的飞行动力学仿真分析模型。针对以上问题提出了一种适用于工程的非线性气动力降阶模型(ROM)用以实现弹性飞机飞行动力学仿真,特别是低速飞机在遭遇大幅值阵风情况下的阵风响应仿真。以风洞试验飞翼飞机模型为对象,利用CFD方法获得了该模型的气动力数据,利用自回归移动平均(ARMA)方法和径向基函数(RBF)神经网络方法分别建立了该模型的线性气动力ROM和非线性修正气动力ROM。结合模型的刚弹耦合飞行动力学方程对模型遭遇阵风情况下的响应进行仿真分析,并将仿真结果和风洞试验结果及CFD/CSD计算结果进行对比。结果表明建立的基于非线性气动力ROM的弹性飞机仿真模型在气动力预测、稳定性分析及阵风响应分析方面的表现都优于基于线性气动力ROM的仿真模型,和试验结果及CFD/CSD分析结果一致性较好,且所建模型在相同工况下的仿真时间远低于CFD/CSD分析方法...     

基于POD和ARMA的阵风响应预测降阶模型研究

针对阵风响应流场高效精确分析需求,基于非定常CFD数值模拟发展了一种快速流场预测的降阶模型。采用本征正交分解(POD)方法对高斯阵风激励的CFD非定常流场快照进行特征分析、并基于能量占比准则截取主要基模态来降维,采用自回归滑动平均(ARMA)方法建立各主要基模态系数的线性预测模型。采用NACA0012和DLR-F12的分析算例进行了验证,与CFD非定常计算结果对比分析表明,模型具有可靠的计算精度,适合于精确高效快速分析阵风响应,为阵风减缓设计提供技术支撑。     

柔性机翼阵风响应与被动减缓研究

高空长航时无人机的机翼展弦比大、柔性较强,飞行过程中极易受到阵风的影响。文章以几何精确本征理论建立结构模型,耦合 Pitt-Peters动力入流理论建立柔性机翼非线性气弹模型,研究了柔性机翼阵风响应以及翼尖被动阵风减缓效应。采用空间 -时间平行的有限元离散方法,将气弹方程转化为一阶微分代数方程,Newton-Raphson和 Generalized-α算法分别用于静态变形和动态响应的求解,通过算例研究了离散阵风载荷下柔性机翼的阵风响应,结果表明翼尖被动阵风减缓装置对机翼变形有明显的减缓效果。     

风洞模型静弹性变形对气动力影响研究

介绍了一种基于模型变形视频测量系统和计算空气动力学研究静弹性变形对气动力影响的方法.利用模型变形视频测量系统获取模型在气动载荷作用下的静弹性变形,驱动模型表面网格运动,得到模型变形后的表面CFD计算网格.CFD计算变形前后网格外形下的气动力,研究模型变形对模型气动特性的影响.对一大展弦比连接机翼的测量与计算结果进行了分析,分析结果表明:模型变形对升力系数影响最大发生在升力线性变化的最大迎角附近,模型变形对阻力系数影响最大发生在失速迎角附近,模型静弹性变形对气动力的最大影响量远远超出风洞测力实验的精度指标,因此开展风洞模型静弹性变形影响研究与修正是十分必要的.     

Application of Active Flow Control Technique for Gust Load Alleviation

A new gust load alleviation technique is presented in this paper based on active flow control. Numerical studies are conducted to investigate the beneficial effects on the aerodynamic characteristics of the quasi "Global Hawk" airfoil using arrays of jets during the gust process. Based on unsteady Navier-Stokes equations, the grid-velocity method is introduced to simulate the gust influence, and dynamic response in vertical gust flow perturbation is investigated for the airfoil as well. An unsteady surface transpiration boundary condition is enforced over a user specified portion of the airfoil’s surface to emulate the time dependent velocity boundary conditions. Firstly, after applying this method to simulate typical NACA0006 airfoil gust response to a step change in the angle of attack, it shows that the indicial responses of the airfoil make good agreement with the exact theoretical values and the calculated values in references. Furthermore, gust response characteristic for the quasi "Global Hawk" airfoil is analyzed. Five kinds of flow control techniques are introduced as steady blowing, steady suction, unsteady blowing, unsteady suction and synthetic jets. The physical analysis of the influence on the effects of gust load alleviation is proposed to provide some guidelines for practice. Numerical results have indicated that active flow control technique,as a new technology of gust load alleviation, can affect and suppress the fluid disturbances caused by gust so as to achieve the purpose of gust load alleviation.     

阵风响应及减缓的非定常数值模拟

基于网格速度和动网格方法,通过求解非定常N-S方程计算翼型副翼偏转时的阵风减缓响应,研究开环控制律参数和副翼缝隙对阵风减缓效果的影响。对于单个1-cos阵风,随着偏转角度的增大,减缓效果变大;由于粘性的影响,CFD计算得到的升力峰值减小量明显呈非线性的趋势,减缓效果低于准定常线性理论。对于连续sin阵风,通过调整副翼偏转的频率和最大偏转角,升力能达到很好的减缓效果,此时,副翼偏转频率应接近阵风频率,最大偏转角存在一个最优值。在阵风环境下,副翼间隙对升力系数影响不大,而力矩系数增大一倍,间隙会降低副翼偏转对升力的减缓效果。     

Theoretical and Experimental Study of Gust Response Alleviation Using Neuro-fuzzy Control Law for a Flexible Wing Model

Two kinds of neuro-fuzzy gust response alleviation control laws are designed for a flexible large-aspect-ratio wing model. Simulations and comparisons of random gust alleviation using the two control laws are performed. Based on the better neuro-fuzzy control law, experiments and simulations of sinusoidal gust alleviation using one-control-surface control system and two-control-surface control system are developed. The investigations show that the two kinds of neuro-fuzzy gust response alleviation control laws can alleviate random gust responses effectively. The neuro-fuzzy gust response alleviation control law including a modifying factor is better than the other one without it. Further, the better one has good effects on the sinusoidal gust alleviation at different frequencies and flow velocities. The two-control-surface control system has better effects on gust response alleviation than the one-control-surface control system when the gust is strong. The simulation results agree well with the experimental results. These results can be usefully referenced to the design of actual gust alleviation control systems.     

Aeroelastic dynamic response of elastic aircraft with consideration of two-dimensional discrete gust excitation

Design loads generally require a one-dimensional discrete gust profile without consideration of the spanwise effect, and this profile cannot represent the true gust field exactly. For a high aspect ratio aircraft, two-dimensional gusts may cause critical load conditions, and approaches for calculating dynamic responses under two-dimensional discrete gust excitation are rarely presented. In this paper, a spanwise non-uniform vertical discrete gust field is established based on a one-dimensional ‘1-cos’ gust profile in reference to a DARPA proposal, while frequency and hybrid approaches to the dynamic response analysis of flexible aircraft under this two-dimensional gust excitation are presented. Solution techniques have been applied to a high aspect ratio aircraft to assess the different response characteristics with a comparison between one-dimensional and two-dimensional discrete gust field conditions. The results show that the two-dimensional discrete gust model produces a higher bending moment than that of the one-dimensional condition. Therefore, the critical load conditions that are derived from the two-dimensional discrete gust for high aspect ratio aircraft should be seriously considered. According to the analysis, an active control scheme to alleviate the bending loads caused by the two-dimensional gust is designed, and alleviation effects in different gust conditions are compared.     

大型水陆两栖飞机突风响应特性的程序化设计

现代飞机设计过程中,要考虑飞机遭遇突风时不同部位的动态突风载荷特性.根据大型水陆两栖飞机的设计要求,制订离散突风和连续紊流的分析流程,研究离散突风和连续紊流响应特性的程序化设计方法,并计算飞机各部位的单值载荷包线和组合载荷包线.程序化设计结果表明,大型水陆两栖飞机遭遇突风或紊流时,机体动态载荷量级与静载荷相当,且设计效率大大提高.研究结果为大型水陆两栖飞机的突风载荷设计提供了依据.     

冲击风作用下大跨屋盖多模态随机风致响应研究

雷暴冲击风是一种近地面短时产生的瞬态强风,它与传统的边界层风场特征具有明显的差别,冲击风将会引起屋盖的强烈振动,甚至发生破坏.本文根据混合随机模型,详细研究了冲击风风场的数值模拟方法.应用Wood竖直风剖面方程与Holmes经验模型模拟平均风场,使用稳态高斯随机过程模拟脉动风场,模拟的风场与实际的雷暴冲击风较为一致.结合多阶模态加速度法和等效风荷载原理,详细推导了大跨屋盖随机风致响应的计算方法.结合边界层风洞试验,比较冲击风产生的表面风压特性,计算得到屋盖冲击风致动力响应时程,并研究了冲击风作用下大跨屋盖荷载风效应系数和位移风效应系数的分布特点.研究结果可作为评估大跨屋盖冲击风致响应的一种参考.     

FL-13风洞突风发生装置研究

为在 FL-13风洞中开展飞机全模突风响应试验研究,建立研究所需的突风发生装置,进行了突风发生装置的研究。研究中,从大飞机突风试验需求出发,确定了装置的技术指标,通过数值模拟计算,固化了装置技术指标;通过引导性试验和总体方案对比,选定了单电机驱动双飞轮及曲柄连杆方案;通过动力学分析、结构设计与有限元分析、模态分析和疲劳分析,解决了装置共振、刚度增加困难和安装空间受限等问题;通过装置调试与突风流场考核结果表明,研制的 FL-13风洞突风响应试验装置实现了在来流40 m／s 的风速范围内按正弦规律变化产生突风,模型中心处最大突风振幅达到9 m／s。突风流场的成功模拟,标志着 FL-13风洞具备了开展大展弦比飞机突风响应影响试验研究的能力。