带反馈控制的基本带翼外形的耦合气动/运动数值模拟研究

介绍了一种先进的、时间精度的多学科数值模拟平台的开发和应用,该平台可用于预测飞行器机动过程中的非定常气动特性和飞行力学特性.通过耦合求解非定常Navier-Stokes方程、刚体动力学方程及控制律,对基本带翼外形进行了虚拟飞行数值模拟研究.求解器采用基于结构网格的有限体积法,时间方法采用双时间步方法.使用反馈控制器获得舵偏控制指令,重叠网格方法用来模拟物体间的相对运动.模拟结果显示控制器的增益必须正确选择才能获得正确的响应.仿真结果表明本文发展的虚拟飞行数值模拟方法能够预测包含动边界的复杂非定常流动,具有较强的工程适用性.     

基于数值虚拟飞行技术的飞行器动态特性分析

基于结合结构重叠网格、闭环PID控制器、舵偏控制律、刚体六自由度运动和非定常Navier-Stokes方程求解等模块的数值虚拟飞行技术,对“起源号”返回舱、基本带翼导弹外形的多自由度非定常运动、受控特性及控制参数的整定开展了模拟。分析了不同自由度（DOF）下飞行器的运动特性,飞行器受扰动后的稳定性及控制参数的整定。计算结果表明：利用数值虚拟飞行技术可有效地开展复杂流动下飞行物体非线性运动问题的研究,对研究飞行器在非线性流动下的动态特性、受控特性、流动机理研究以及控制律的设计检验具有较高的工程价值和应用前景。     

飞行器气动/飞行/控制一体化耦合模拟技术

基于非结构重叠网格技术和全局亚迭方法,发展了一种气动、飞行和控制一体化耦合的非定常求解策略,用于飞行器闭环控制的数值虚拟飞行研究。高超声速飞行器按照设计控制律,采用升降舵偏转进行连续变攻角操纵和静不稳定布局稳定控制;数值虚拟飞行逼真显现了上述非定常流动、运动与控制的时序演化过程。数值虚拟飞行与基于气动数据库插值的飞行仿真比较,控制过程和反馈效果十分吻合。     

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。     

基于预估校正和嵌套网格的虚拟飞行数值模拟

 针对导弹虚拟飞行数值模拟问题,发展了空气动力学/飞行力学数值计算方法和软件。控制方程为非定常雷诺时均Navier-Stoker(RANS)方程和刚体六自由度运动方程;流场求解器为有限体积法结构网格求解器,时间推进采用双时间步法,湍流模型为Spalart-Allmaras一方程模型;采用Adams预估校正法实现飞行力学方程与流场控制方程的耦合计算;使用嵌套网格方法模拟多体运动。首先模拟了美国国家航空航天局(NASA)窄条翼导弹模型纵向虚拟飞行,研究耦合方式和时间步长的影响。仿真结果表明,双时间步三阶Adams耦合方法,同等精度下可以显著增大时间步长,缩短仿真时间。最后,采用该方法模拟了导弹自由摇滚特性和纵向虚拟飞行,模拟结果与试验值吻合较好。     

基于舵面控制的外挂物分离仿真方法研究

基于舵面控制的外挂物分离仿真是一个典型的多学科耦合问题,需要对其气动性能、飞行性能和控制性能综合进行分析。本文主要围绕数值仿真中计算流体力学（CFD）和控制方程与刚体动力学（RBD）方程的耦合求解、高效嵌套网格技术、耦合飞行控制系统（FCS）的气动/运动/控制的多学科耦合仿真的三个关键技术进行研究。针对以上技术难点,发展了一套基于舵面控制的外挂物分离仿真方法。仿真结果表明,通过舵面控制,有效改善了外挂物在分离过程中的姿态变化剧烈的现象,提升了分离安全性与分离品质;发展的基于舵面控制的外挂物分离仿真方法能够处理复杂运动边界的非定常问题,检验飞行控制律,具有一定的工程价值。     

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.     

基于动态混合网格的鱼体巡游数值模拟

对鱼类等柔性变形体的数值模拟需要解决如下几个问题(1) 柔性体动态网格生成;(2) 基于动态网格的不可压流非定常算法.本文基于Delaunay背景网格插值方法,发展了一套快速生成柔性体变形的动态混合网格生成方法;对于不可压流问题,采用虚拟压缩方法进行求解,结合双时间步方法来处理非定常问题;最后数值模拟了鱼体巡游的非定常流动,分析了鱼体的摆动频率对力、功耗等流体动力学特性的影响.     

风力机标模非定常数值模拟中的影响因素研究

基于自主研发的“亚跨超 CFD 软件平台”(TRIP3.0),采用刚性运动网格技术和动态拼接网格技术,开发了针对旋转类机械的非定常求解模块。本文开展了 NREL Phase VI 风力机标模非定常数值模拟中的影响因素研究,影响因素主要包括不同时间步长的影响、不同湍流模型的影响、刚性动网格技术和动态拼接网格技术的影响三个方面。本文数值模拟采用的控制方程为雷诺平均 N-S 方程,采用有限体积法离散控制方程,离散方程的时间方向采用“双时间步”方法求解,空间方向无粘项离散采用 MUSCL-Roe 格式,湍流模型采用 SA 和 SST 湍流模型,并引入多重网格和并行计算技术加速求解。数值模拟结果表明：时间步长、湍流模型、网格方案等因素主要影响风力机叶片吸力面的流动结构,进而影响吸力面的压力分布,而对压力面的流动结构和压力分布基本没有影响;采用刚性运动网格结合 SA 湍流模型所得到的压力分布更接近实验值。     

螺旋桨非定常滑流数值模拟

运用非结构动态嵌套网格技术,通过求解三维非定常Euler方程,对螺旋桨飞机的螺旋桨滑流进行了真实数值模拟.动态嵌套网格方法通过建立运动区子域网格来模拟螺旋桨的旋转运动,静止的机身包含在静止区网格中,有效解决了螺旋桨滑流模拟中的相对运动问题.采用双时间方法求解控制方程,在每一个物理时间步上运用经典四步Runge-Kutt...     

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.     

A CFD-based numerical virtual flight simulator and its application in control law design of a maneuverable missile model

A CFD-based Numerical Virtual Flight (NVF) simulator is presented, which integrates an unsteady flow solver on moving hybrid grids, a Rigid-Body Dynamics (RBD) solver and a module of the Flight Control System (FCS). A technique of dynamic hybrid grids is developed to control the active control surfaces with body morphing, with a technique of parallel unstructured dynamic overlapping grids generating proper moving grids over the deflecting control surfaces (e.g. the afterbody rudders of a missile). For the flow/kinematic coupled problems, the 6 Degree-Of-Freedom (DOF) equations are solved by an explicit or implicit method coupled with the URANS CFD solver. The module of the control law is explicitly coupled into the NVF simulator and then improved by the simulation of the pitching maneuver process of a maneuverable missile model. A nonlinear dynamic inversion method is then implemented to design the control law for the pitching process of the maneuverable missile model. Simulations and analysis of the pitching maneuver process are carried out by the NVF simulator to improve the flight control law. Higher control response performance is obtained by adjusting the gain factors and adding an integrator into the control loop.     

不对称推力完全自动补偿技术

研究了一种适用于多发飞机的不对称推力完全自动补偿策略,并针对发动机失效后的不对称推力飞行特性进行研究。首先,推导了横航向达到平衡状态的条件,提出了一种基于发动机转子转速信号的自动补偿控制方法,在保证补偿效果的同时,解决了自动补偿系统可靠性低的问题,该自动补偿控制方法将高压转子转速信号与低压转子转速信号进行逻辑运算,结合高压转子转速差控制副翼和方向舵偏转,再与主飞行控制系统共同作用使飞机达到平衡状态。然后,基于横航向主飞行控制系统具有滚转角保持功能的特点,优化自动补偿控制系统。最后,全包线内建立飞机达到平衡状态的线性化数学模型,设计了不对称推力完全自动补偿控制律。通过MATLAB/Simulink建模并进行仿真验证,仿真结果表明完全自动补偿控制方法对不对称推力飞行具有良好的补偿效果。     

Virtual flight test of pitch and roll attitude control based on circulation control of tailless flying wing aircraft without rudders

Circulation Control(CC) realizes rudderless flight control by driving compressed air jet to generate a virtual rudder surface, which significantly improves low detectability. The layout plan of combined control rudder surface is proposed based on the tailless flying wing aircraft. The closed-loop jet actuator system and stepless rudder surface switching control strategy are used to quantitatively study the control characteristics of circulation actuator for pitch and roll attitude through 3-DOF ...     

Control law design for transonic aeroservoelasticity

Existing computational transonic aeroservoelastic researches focus on directly coupling the structural dynamic equations, CFD solver and servo system in time domain, study the effect of the given feedback control laws on the responses of the aeroelastic system. These works have not involved the design of the flutter active control law. The non-linearity of transonic flow brings great difficulties to aeroservoelastic analysis and design. Recent research of the unsteady aerodynamic reduced order models (ROM) based on CFD provides a challenging approach for transonic aeroservoelastic analysis and design. Coupling the structural state equations with the aerodynamic state equations of the wing and the control surface based on the ROM, we construct a transonic aeroservoelastic model in state-space. Then the sub-optimal control method based on output feedback is used to design the flutter suppressing law. The study first demonstrates the open loop of the Benchmark Active Controls Technology (BACT) wing. The computational results of the CFD direct simulation method and the ROM analysis method are both agree well with the experimental data. Then both the closed loop time responses and the flutter results by ROM technique are compared with those of numerical aeroservoelastic simulation based on Euler codes to validate the correctness of the design method of the control law and aeroservoelastic analysis method. An increase of up to 20% of the speed index can be achieved by the control law designed by sub-optimal control method for this model.     

两种跨声速气动弹性问题分析研究

在非结构运动网格基础上,采用中心有限体积法进行空间离散和双时间方法进行时间推进求解非定常欧拉方程.通过与气动力方程的联立求解,在时域内用四步龙格-库塔方法求解结构运动方程.分析和研究了二维嗡鸣和三维机翼颤振这两种跨声速非线性气动弹性问题.二维嗡鸣问题的研究考虑了翼面-舵面系统的缝隙间网格运动、缝隙对嗡鸣的影响和扰流片对嗡鸣的抑制.耦合多自由度Lagrange结构运动方程数值模拟了三维机翼的颤振问题.通过跨声速标模算例AGARD445.6机翼的颤振计算,计算的颤振临界速度与实验值有5%左右的误差,验证本方法的正确性.由于本方法是在对外形具有良好普适性的非结构动网格基础上完成的,具有良好的工程实践价值.     

基于全局灵敏度分析的侧向气动导数不确定性对侧向飞行载荷的影响

考虑飞行载荷计算中使用的气动导数存在不确定性,利用基于方差的全局灵敏度分析(GSA)方法,结合偏航机动的动力学模型,分析了侧向气动导数不确定性对侧向飞行载荷的影响。以某型飞机为例,运用该方法得到侧向气动导数的全局灵敏度排序。结果表明:侧滑角、阻尼贡献的垂尾侧向载荷及垂尾侧向总载荷受全机侧力系数对侧滑角导数的影响最大,受航向静稳定导数及方向舵操纵效能的影响次之;方向舵偏度贡献的垂尾侧向载荷只受全机侧力系数对方向舵偏度导数的影响;无尾飞机侧向载荷主要受航向静稳定导数、方向舵操纵效能及无尾飞机侧力系数对侧滑角导数的影响;偏航阻尼导数基本不影响各侧向飞行载荷。同时也验证了方法的有效性,对提高飞行载荷的计算精度有一定的指导意义。     

Active Control Law Design for Flutter/LCO Suppression Based on Reduced Order Model Method

 Active stability augmentation system is an attractive and promising technology to suppress flutter and limit cycle oscillation (LCO). In order to design a good active control law, the control plant model with low order and high accuracy must be pro-vided, which is one of the most important key points. The traditional model is based on low fidelity aerodynamics model such as panel method, which is unsuitable for transonic flight regime. The physics-based high fidelity tools, reduced order model (ROM) and CFD/CSD coupled aeroservoelastic solver are used to design the active control law. The Volterra/ROM is applied to constructing the low order state space model for the nonlinear unsteady aerodynamics and static output feedback method is used to active control law design. The detail of the new method is demonstrated by the Goland+ wing/store system. The simu-lation results show that the effectiveness of the designed active augmentation system, which can suppress the flutter and LCO successfully.