高空飞艇的流固耦合数值研究

发展了一套用于研究高空飞艇在来流作用下的流固耦合数值方法.利用经过验证的自编制的有限元程序来求解飞艇的非线性大变形,利用商业软件FLUENT求解飞艇的外流场,通过非动态交替的方法实现飞艇的流固耦合计算.结果表明:飞艇的柔性变形改变了飞艇周围的流场结构,飞艇表面气动载荷分布发生了较大的改变;由于飞艇表面气动载荷的作用,导致了囊体内外压差的变化,进而导致囊体内的应力随之发生了较大的变化.     

平流层飞艇大迎角气动特性分析

为了获得大迎角下的平流层飞艇的气动特性,基于N-S方程及k-ωSST湍流模型,对某平流层飞艇的大迎角气动特性进行数值模拟分析.结果表明：平流层飞艇的大迎角失速特性及力矩特性与飞机具有较大的区别,飞艇的失速迎角较大（45°左右）;俯仰力矩特性在失速前呈现完全不同的两种趋势,小迎角范围内其静不稳定,迎角增加到一定程度后变为静稳定且维持该状态直至失速.研究结果对平流层飞艇的大迎角操稳设计、飞控设计具有重要的参考意义.     

平流层飞艇纵向气动特性及减阻实验研究

以美国高空哨兵50平流层飞艇作为背景样机,通过风洞实验研究了布局形式对该型飞艇纵向气动特性的影响。研究表明:与Y形尾翼相比,十字尾翼布局形式具有更大的阻力和升力;从俯仰静稳定性的角度而言,十字尾翼在大迎角下使得飞艇从纵向静不定变为纵向静定;但由于尾翼产生较大的附加阻力,因此需要采取一定的减阻措施。进一步采用微型涡流发生器对飞艇的后体及尾翼处的流动分离进行控制,研究其在不同迎角和侧滑角工况下的减阻效能,发现在α=8°、β=0°或β=-8°、α=0°工况下可以获得减阻效果,且MVG布置更密时,获得的减阻效果更好。     

平流层飞艇飞行控制研究综述

综述了平流层飞艇控制研究的最新成果和发展动态,系统分析了反馈线性化控制、变结构控制、自适应控制、智能控制等方法的特点及其在飞艇控制系统设计中的研究应用现状。在总结已有研究成果的基础上,针对平流层飞艇的环境特性和应用特点,提出了需进一步研究的重难点问题,包括多物理场耦合与协调控制、上升段航迹优化与控制、异类执行机构复合控制等,并对今后的发展趋势进行了展望。     

基于流固耦合的反推力装置负载特性

反推力装置负载特性是其运动机构及驱动作动器强度设计的基础,其中阻流门所受气动载荷及其应力分布计算是核心。以叶栅式反推力装置为对象,采用重叠网格方法实现阻流门和滑动整流罩的旋转以及平移运动网格划分,在STAR-CCM+软件环境下确定了流固耦合交界面的数据映射与交换关系,由此建立了反推力装置流固耦合数值分析模型。对反推力装置在飞机降落时正常打开和起飞滑跑紧急终止时应急打开两种动态过程进行仿真,结果表明：随阻流门旋转,阻流门所受气动载荷与等效应力快速增加,并在旋转角度为50°附近达到最大,且在应急终止起飞状态下打开反推力装置,阻流门承受的最大气动载荷是正常打开过程的3倍以上。     

基于液态压舱的平流层飞艇姿态调节方式研究

姿态调节机构是平流层飞艇姿态控制系统的执行部件,姿态调节贯穿于飞艇上升、平飞和下降整个过程。现有技术中,平流层飞艇姿态调节主要有升降舵、调姿副气囊和固态压舱三种形式,针对升降舵和调姿副气囊控制效率低以及固态压舱不能循环利用等问题,提出了一种基于液态压舱的平流层飞艇姿态调节新方案。论述了新方案的设计要求、结构特点以及原理分析。新方案采用液态压舱的形式,不仅提高了姿态调节控制效率,而且可以循环利用。验证飞艇飞行试验结果表明,采用该方案的姿态调节形式能够满足平流层飞艇长时间飞行控制需求。     

基于流固耦合方法模拟减压器动态特性

为了研究内部流场对减压器动态特性的影响,基于新离散几何守恒律和高精度界面流固耦合技术对其动态特性进行数值模拟,其中单自由度质量弹簧阻尼结构动力学模型采用Newmark法进行计算;三维非定常积分形式的ALE流体控制方程采用弹簧近似的动网格有限体积法进行求解。采用虚拟网格通气技术实现阀门内部运动部件接触/分离过程引起的计算区域拓扑变化。计算结果表明,在减压器正常工作状态下,出口压力存在振荡现象,其均值接近按照静态性能设计的理论值;进口压力增高,振幅减小;进口压力太低时,减压器无法实现出口压力的设计理论值。在正常工作状态的进口压力范围内,减压器存在颤振现象,出口压力远大于设计理论值。     

平流层飞艇关键技术与自主控制技术研究

针对平流层飞艇特点,对平流层设计中的关键技术进行讨论。在分析飞艇受力情况下,依据理论力学原理和飞艇运动参数之间的几何关系,建立了以螺旋桨电驱动系统为动力推进的飞艇动力学方程和运动学方程,并进行了线性化处理:依据所建模型,综合滑模面设计和控制律两方面设计了飞艇变结构控制律,数字仿真显示了滑模控制律的有效性。     

电磁阀动态特性的流固耦合模拟研究

为了研究液体火箭发动机高压供气系统中电磁阀的动态特性,采用流固耦合方法对电磁阀进行数值模拟。结构采用单自由度质量弹簧阻尼动力学模型描述,纽马克算法(The Newmark Method)求解。流场控制方程为非定常Euler方程,采用弹簧近似动网格的ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)有限体积法求解。应用新型流固界面算法,采用"虚拟挡板通气"技术实现电磁阀开启/关闭引起的流场拓扑变化。数值模拟讨论了影响电磁阀动态特性的设计因素。模拟发现,存在19%能量损耗的主阀-气缸碰撞模型相对无损耗模型使阀门开度达到稳定状态的时间缩短一半,表明碰撞模型是电磁阀动态特性的重要影响因素。     

基于行为逻辑的平流层飞艇试验自动测试方法

平流层飞艇飞行试验之前需在地面开展测试以保证飞艇测控、安全控制等关键分系统功能正常和全系统长时工作可靠。通过研究平流层飞艇的系统结构组成、功能以及控制逻辑,给出了平流层飞艇测试行为逻辑和测试行为;在此基础上,构建了试验测试模式和测试流程,给出了试验测试系统实现方法,确定了测试系统中测试程序功能的实现方式。最后,通过平流层飞艇试验测试实施验证了自动测试方法的有效性。     

平流层飞艇驻空过程中热力学特性及影响因素研究

基于平流层环境特点,分析了影响平流层飞艇热平衡的基本热源和换热途径,建立了平流层飞艇气囊冷热面以及内部氦气之间热平衡仿真模型,并在此基础上对某概念飞艇进行了仿真分析,得出了飞艇气囊冷热面以及内部氦气随时间变化规律;采用定量分析方法,重点分析了太阳辐射吸收率、红外辐射发射率以及空速等因素对氦气温度变化的影响程度及氦气温度随其变化的关系。计算结果表明,所建立的模型可较好的描述各因素对氦气温度的影响,可为平流层飞艇总体设计提供依据。     

平流层飞艇的控制模式对其定点特性的影响

通过对平流层飞艇定点过程的飞行状态、控制模式和工作环境的分析,建立了飞艇在定点阶段的热力学和动力学模型,并用C++可视化语言对控制方程编程求解。对无黑皮不充放空气和有黑皮充放空气两种不同状况、不同控制模式下的飞艇进行了飞行特性的数值模拟和对比,获得了两种不同状况下飞艇膜、黑皮、内部空气和氦气的温度以及飞艇的高度随时间的变化关系。结果表明:太阳辐射、飞艇的控制模式和太阳能电池阵列对其定点性能有较大影响。     

基于能量平衡的平流层飞艇推进系统建模与优化设计

为了在平流层飞艇推进系统高效率和轻质量需求的矛盾之中取得平衡,提出基于能量平衡的平流层飞艇推进系统建模与优化设计方法。利用试验设计和代理模型技术分别建立了高空电动机、螺旋桨的主要设计参数与其效率和质量的代理模型。建立了包含太阳能电池和储能电池的飞艇能源系统质量计算模型。以整系统能量平衡和推阻平衡为约束,以推进与能源系统总质量最小为目标,借助多岛遗传算法构建了飞艇推进系统优化设计数学模型。对某型平流层飞艇推进系统进行了优化设计,结果表明:优化后的推进系统效率提升了23%,推进与能源系统总质量降低了340 kg,验证了该平流层飞艇推进系统建模与优化设计方法的可行性和应用价值。     

实现结构轻量化的新型平流层飞艇研究进展

平流层飞艇具有极高的实用价值,是国内外临近空间开发的研究热点。和中低空常规飞艇相比,由于单位体积所提供的浮力大大降低,使得平流层飞艇设计时存在艇体体积、阻力和重量之间的循环关系,飞艇结构轻量化成为平流层飞艇研发的首要课题,受到了各国研究机构的高度重视。本文对目前实现平流层飞艇结构轻量化的主要方法和技术进行了整理,给出了利用这些方法实现结构轻量化的平流层飞艇研究进展,比较了这些方法的优势和不足,并对新型的平流层展开飞艇技术进行了分析。分析结果认为改进蒙皮材料性能、改变飞艇的结构形式和利用新型的空中展开飞艇将是平流层飞艇实现结构轻量化的主要手段,新型空中展开飞艇能够有效地实现结构轻量化,具备较好的发展潜力。     

平流层飞艇平台的类型与技术途径

目前国外研制中的平流层飞艇主要有展开式、多节囊体式和单艇体式三种方式,文章介绍了三种方式各自的优势和关键技术,可供借鉴和参考。     

转捩对平流层飞艇外形优化的影响

采用梯度算法优化了平流层飞艇外形以减少气动阻力,目标函数飞艇总阻力系数通过求解Navier-Stokes方程获得.优化过程中采用了SSTκ-ω转捩湍流模型和Realizable κ-ε全湍流模型求解绕流流场,采用大涡模拟方法详细分析了获得的两种飞艇外形的气动性能和特点,并且比较了两种湍流模拟方法的流场求解对梯度法优化的目标函数以及飞艇形状特点的影响.结果表明:是否考虑转捩对优化的结果有明显的影响,考虑转捩优化方案的气动性能明显优于全湍流流动求解优化方案.采用转捩模型的优化由于层流区域的存在改变了飞艇尾部的形状,从而获得了尾部分离区较小的飞艇外形轮廓.      

基于响应面近似技术的平流层飞艇协同设计优化

针对平流层飞艇多学科设计优化问题,引入协同优化算法,分析基于响应面近似模型的协同优化方法CO/RSA的执行步骤和特点,并介绍响应面近似模型的构建方法;建立平流层飞艇各学科模型,并对学科间耦合关系进行分析;运用建立的气动/推进、结构、能源三个耦合子系统的学科分析模型和系统优化模型,以平流层飞艇总质量最小为优化目标,综合考虑浮重、推阻和能源平衡,采用CO/RSA方法对平流层飞艇进行设计优化.结果表明:所建立的平流层飞艇的MDO模型是合理的,CO/RSA算法应用于飞艇总体设计优化是有效的,研究结果可为平流层飞艇方案论证和方案设计提供参考.     

双S弯喷管的流固耦合特性研究

为了明晰S弯喷管的流固耦合特性,数值模拟了流固耦合作用下双S弯收敛喷管的结构变形特征及其内/外流特性。结果表明：S弯喷管的圆转方弯曲构型产生了非均匀的流场分布,并增强了结构的弹性特征,它们通过交换气动载荷与变形位移数据形成了S弯喷管流固耦合的作用机理。在气动载荷作用下,S弯喷管沿Y向的最大变形位移为25.3mm,它位于喷管出口上壁面的中心位置。当喷管的结构变形稳定时,第二弯转弯处下壁面的气流加速至局部超音速,壁面静压大幅降低;第一弯下游上壁面附近形成了气流分离区;喷管出口喷流沿轴向向上偏转。流固耦合作用导致S弯喷管的流量系数减小0.6%,推力系数降低1.8%。矩形截面与弯曲构型是影响S弯喷管流固耦合特性的主要几何特征,其中矩形截面能够显著增大喷管的变形位移;S形弯曲构型虽然能够有效抑制变形特征,但它导致喷管多个区域出现变形,喷管的结构变形分布变得更加复杂。     

考虑流固耦合作用的一维供应管路-喷嘴系统动力学特性

为了更加深入地研究供应管路-喷嘴系统的动态特性,在喷嘴动力学理论的基础上,建立了考虑供应管路流固耦合作用的传递矩阵组合计算模型。针对三种典型液体火箭发动机喷嘴与一维供应管路组成的系统,开展了两端固定边界的系统动力学特性数值模拟。结果表明:管路结构谐振与管内流体谐振所导致的喷嘴出口位置流体速度振荡量级相当,管路流固耦合作用对系统动态特性的影响不能忽略;管路结构谐振是造成其固定位置应力的频率响应幅值较高的主要因素;当流体与结构的谐振频率接近时,会产生一个大带宽、高幅值的应力耦合振荡区间,随着管壁厚度的增大,耦合振荡的带宽也随之增大;对于文中算例,流固耦合作用对流体谐振造成的系统振荡具有约5%的降频作用。