吸气式高超声速飞行器热气动弹性研究进展

吸气式高超声速飞行器是当前航空航天领域研究的热点,该类飞行器通常使用超燃冲压发动机作为推进系统,并采用一体化设计方案,带来了一系列的气动弹性问题。首先阐述了吸气式高超声速飞行器机体/发动机一体化建模研究进展;随后介绍了热气动弹性/推进耦合、控制系统耦合以及不确定性分析等方面的热气动弹性动力学研究进展,并对相关热气动弹性试验研究进行了分析;最后对吸气式高超声速飞行器的热气动弹性问题提出了若干研究建议。      

轴向通流旋转盘腔内流动不稳定性研究

为了研究旋转腔内流动不稳定性问题,采用旋转坐标系稳态方程,用数值模拟的方法分析了轴向通流旋转盘腔内的流动,得到了旋转系下哥氏力和离心浮升力分别对流动不稳定的作用,以及这两个力的非线性综合作用对流动不稳定的影响.结果表明:哥氏力是恢复力,不影响流动稳定性;离心浮升力是造成流动不稳定的主要因素,盘腔内的流动是离心力场下的Rayleigh-Benard对流和强迫对流的混合流,随着浮升力的增强流动由稳态发展为非稳态;哥氏力与离心浮升力的综合作用加剧了流动不稳定性,盘腔内r-θ面出现了明显的旋向相反的对涡.     

环量控制翼型非定常气动力建模

针对目前环量控制技术中射流参数与迎角对翼型气动特性的影响高度耦合,对应非定常气动力模型精度较差的研究现状,基于环量控制翼型强迫俯仰振动数值模拟数据,借助Kriging模型实现环量控制翼型的定常气动力插值,借助微分方程模型完成了适用于环量控制翼型的线性微分方程建模,采用两步线性回归参数辨识方法辨识线性微分方程模型中特征时间常数等参数,对高动量系数大振幅流动状态下的非线性影响进行修正。研究结果表明:基于Kriging模型实现的环量控制翼型定常气动力插值精度较传统气动导数模型高,建立的环量控制翼型非定常气动力模型能够精确预测不同流动状态下的气动力和力矩系数变化情况。      

无尾飞机的多变量控制律设计

本文介绍了按无尾战斗机综合的纵向和横侧向动力学特性设计的手动飞控系统。所用的设计方法是动态反演与结构化奇异值综合相结合，以便解决稳定性、性能和对受控对象不确定因素的鲁棒性问题。根据闭环系统所达到的稳定性、飞行品质和可靠性订出了设计目标。总设计结构包括一个内回路和一个外回路。内回路将飞机动力学特性调整等于所需的动力学特性，而外回路则采用结构化奇异值综合法来获得一种鲁棒的动力学控制器，以跟踪模型对飞行员指令的理想响应，然后利用一个可按飞机飞行状态调参的前置滤波器使系统输入成形，以便获得所要求的飞行品质。     

不确定切换系统的鲁棒自适应控制方案

针对切换信号依赖于独立决策变量的不确定切换系统,基于多Lyapunov函数方法和模型参考自适应控制理论,提出并分析一种控制器具有非线性死区特征的鲁棒自适应切换控制方案.首先,由参考切换系统和自适应控制律集合建立闭环切换系统,而后构造Lure-Postnikov形式的多Lyapunov函数,并以一组线性矩阵不等式推导给出闭环切换系统为有界模型参考自适应控制系统的充分条件.最后,选择HiMAT(Highly Maneuverable Aircraft Technology)飞行器包线内的5个工作点,以其纵向短周期运动模型建立切换系统,并设计具有非线性死区特征的鲁棒自适应控制器.仿真验证了方案的有效性,结果表明系统在快速连续切换下可良好地跟踪期望轨迹.     

模拟板吹风试验结果与数值模拟结果关联规律

采用CFD方法对恶劣图谱模拟板进行模拟,通过对模拟结果和试验结果进行对比分析,总结出CFD模拟结果与吹风试验结果的关联规律。结果表明:畸变指数关联方法,适用于任何堵塞比的模拟板,可以保证周向畸变指数一致,但不能保证低压区范围相近和总压分布相似;距离关联方法既可保证周向畸变指数一致,又能保证低压区范围和总压分布相似,但只适用于堵塞比较小的情况。     

燃烧过程辐射换热离散坐标模型的应用

对离散坐标(DO)辐射传热模型分别在长方体空间和旋流燃烧室内进行了验证与应用。长方体空间的计算结果表明:DO模型的纯辐射传热预报结果比六热流(SHF)模型准确,与计算精确的区域法的计算结果吻合较好,而SHF模型的预报结果却有较大的误差。对于旋流燃烧室内温度场的模拟预报也表明,DO模型的计算结果和实验值相吻合,明显高于用SHF模型计算所得的温度值。另外,DO模型在计算时间和边界处理等方面比区域法优越;在收敛速度和计算准确度等方面也比工程常用的六通量模型优越。      

高温射流冲击大丝束碳纤维实验与仿真分析

为更好地研究大丝束碳纤维在射流冲击作用下的展纤机理,设计了高温射流冲击试验装置。通过正交试验,并引入极差这一指正参数,参数化地分析了热气流喷距、纤维丝束跨距和纤维丝束张力对展纤效果的影响。建立高温射流流场的三维CFD模型,通过实验与仿真对比分析射流中心轴线上的速度分布来验证仿真模型的正确性,获得流场中心平面上的速度分布云图,并对高温射流冲击作用下纤维壁面的压力和温度的分布情况进行分析。CFD仿真和射流冲击试验的结果较好地吻合,通过分析结果得出适合于48K大丝束碳纤维展纤的最优工艺参数。当在喷距为80 mm,纤维跨度为100 mm,砝码质量为15 g条件下进行展宽,纤维铺展均匀,展宽效果最佳,宽度可达到50 mm。     

多层机匣的包容性数值仿真研究

采用瞬态非线性有限元分析方法对多层机匣的包容性进行了数值仿真研究,对比分析了不同层数机匣在相同撞击条件下的位移、塑性应变和能量的变化,以及同层数机匣有间隙与无间隙时的包容情况。仿真结果表明：同厚度的不同层数机匣,层数越多包容效果越好;对于同层数机匣,层间无间隙机匣的包容效果优于有间隙机匣的。     

基于全欧拉方程的二维平行剪切层声波产生和辐射的数值模拟

本文基于全欧拉方程对二维平行剪切层声波的产生和辐射进行了计算气动声学数值模拟。空间离散采用了频散相关保持有限差分格式,时间积分采用了低频散低耗散的龙格库塔法。数值模拟结果表明,当声源强度较小时,基于全欧拉方程的计算结果与解析解及基于线化欧拉方程的计算结果均符合得很好,当声源强度较大时(约140dB),线化欧拉与全欧拉的计算结果有较大的偏差,这说明此时非线性的影响不可忽略,线化方程不再适用。