高超声速飞行器构型的数值模拟、试验研究与优化设计

综合升力体和乘波构型的气动性能优势,发展了一种高超声速飞行器前体气动构型的设计方法。运用该方法参考某高超声速飞行器气动布局方案,设计了一种高超声速飞行器气动布局。对该类高超声速气动布局进行了数值模拟、优化设计和试验研究;并研究了该类气动布局在高空飞行时,稀薄气体效应对气动性能的影响。数值模拟结果表明：构型前体预压缩面能够将高压气体封闭在构型下表面,实现了乘波构型的设计概念;优化设计结果表明,对于该构型宽展比应在0.4~0.6之间,通过优化升阻比至少有3%~5%的提高余地。对DSMC算法的碰撞模型和有效碰撞次数进行了改进,发展了临近空间飞行器气动性能模拟软件。研究结果表明,在临近空间区域,该类气动布局的升阻比特性略有下降,但仍旧保持了高升阻比的气动优势。     

基于设计变量相关性的翼型设计方法

针对传统设计方法缺乏物理背景等不足,利用流动数值仿真及相关性分析的手段,对几何外形与流动变化的相关性规律进行经验总结,并将这种设计经验进行数值化描述后,引入到优化设计中,建立新的气动外形优化设计模型,使设计模型具有一定的物理意义,从而提高设计效率,改善设计结果。通过高速自然层流翼型HSNLF0213的优化设计,利用相关性的分析结果,建立具有物理意义的优化模型,开展了基于单点优化设计且同时满足多点设计要求的设计方法的应用研究,对这种设计方法及思路进行了初步的探索。设计结果证明了该方法的可行性。     

基于有限元模拟的三维型材拉弯轨迹设计

针对三维型材拉弯,提出一种基于变形控制有限元模拟的轨迹设计方法。首先提取模具长度方向特征线并将其离散成诸多线段单元,这样毛料逐步包覆模具的过程就变成毛料包覆这些线段单元的过程。给定毛料依次包覆线段单元发生的变形,根据切线接触条件（拉弯成形过程中毛料离开模具的位置处两者相切）计算出每步毛料末端位移。将这些位移作为边界条件输入有限元模型中计算毛料应力、应变和回弹。根据成形极限图和规定最大回弹超差量来调整变形模式,找到优化的变形模式和拉弯轨迹。以中空矩形截面型材三维拉弯为例,给出了轨迹设计的详细流程。     

崎岖地形中关节式月球车姿态估计数值求解方法

 以被动关节式地形自适应月球车为研究对象,融合关节机器人D-H坐标建模方法构建了月球车悬架运动学模型和以侧倾、俯仰和偏转角表示姿态的欧拉角方式建立了车轮到世界坐标系的悬架完整表达模型。利用悬架完整表达模型,用带有迭代因子的连续迭代和离散迭代数值求解方法,建立了光滑和离散崎岖地形姿态估计算法。最后以8轮扭杆双摇杆摇臂月球车原理样机为例来验证此模型求解方法。仿真结果验证了所建立的基于数值方法的崎岖地形被动关节式月球车姿态估计模型的正确性,其求解模型精度能够满足仿真要求。     

旋转对曲率表面气膜冷却效率影响的数值研究

通过对旋转状态下曲率通道的气膜冷却现象的流动和换热进行数值模拟,得到了不同旋转数下凸表面和凹表面的冷却效率分布。计算选用剪切应力输运(SST)湍流模型,主流雷诺数ReD=4 797,吹风比M=0.4,旋转数Rt=0~0.023 9。研究结果表明,旋转数对冷却效率的影响明显：旋转数的增大使得气膜的轨迹偏转越明显,并且凸表面上气膜轨迹的偏转程度高于凹表面的。凸表面的冷却效率随着旋转数的增加而逐渐减小,而凹表面的冷却效率随着旋转数的增加而递增,并且旋转数的增加会弱化凸表面和凹表面上冷却效率的差别。     

基于两级直角网格结构的三维DSMC算法研究

结合直角网格计算的高效率以及表面非结构网格对飞行器几何外形的精细描述,本文建立了基于两级直角坐标网格结构的DSMC数值模拟算法。一级网格为计算区域离散后的背景网格,二级网格为独立的碰撞网格和取样网格,是在背景网格的基础上根据流场性质的变化经过自适应后获得的亚网格,碰撞分子对在亚网格内选取,以保证选取的分子是"最相邻的"。计算的Orion飞船外形从自由分子流到稀薄过渡流的气动力系数,与DS3V和DAC软件计算结果的一致性非常好,验证了本文算法的可靠性和有效性。同时对过渡区的流动特征和表面气动参数的分布规律进行了分析。     

汽车后视镜非定常流场的大涡模拟

以桑塔纳3000后视镜为例,使用大涡模拟方法,研究汽车后视镜非定常流场。通过分析后视镜表面平均压力因数、中截面平均速度分布发现,平均流场的大涡模拟结果与雷诺平均结果相当一致,两者可以相互验证。比较有无后视镜两种情况,紧邻后视镜的汽车侧窗压力因数标准差值以及后视镜尾部速度脉动标准差值,了解到后视镜不仅自身较大压力脉动,而且影响汽车侧窗和其它区域。后视镜的剪切层以及尾部旋涡脱落导致后视镜尾部速度脉动在个别位置达到来流0.2倍。测点的自功率谱密度以及相关分析有助于从更深角度明确压力、速度脉动的能量分布以及后视镜的非定常流场结构特征,从而更好揭开后视镜导致气动噪声的流动机理。     

带凹腔支板的数值模拟

用大涡模拟的方法对带凹腔支板进行了数值模拟.采用Smagorinsky-Lily亚网格尺度模型,并用SIMPLE算法和中心差分格式求解离散方程.仿真结果表明:凹腔对支板尾流有一定的影响;在本文研究的凹腔深度范围内(5mm、11 mm、15mm),随着凹腔深度的增加,尾流近壁面旋涡的最大涡量值先减小后增大,频率先增大后减小.     

高超声速湍流高效模拟算法

采用了直接过滤的Navier-Stokes(N-S)方程组对高速可压缩湍流进行研究。针对高超声速湍流的非线性流动特性,对N-S方程直接过滤推导了大尺度湍流流场的控制方程,更精确地反映高速湍流的可压缩性,建立了可压缩湍流的大涡模拟TDM模型。使用传统的Smagorinsky模型的非线性推广,采用基于非Favre过滤的超声速可压缩湍流的大涡模拟模型,应用Caylay-Hamilton定理,建立可压缩湍流大涡模拟的非线性亚格子模型,并发展为动力学模式,模型中的两个常数通过当地流场动态的确定,消除了可调经验常数的影响。针对构造的高超声速湍流大涡模型开发相应的高效并行算法。     

近耦合鸭式布局鸭翼展向吹气涡控技术数值模拟研究

采用鸭翼展向吹气间接涡控技术,对后掠角为50°的主翼和鸭翼气动布局进行数值模拟,给出不同吹气动量系数下的数值模拟结果,建立了鸭翼吹气动量系数与布局气动力系数之间的关系。并针对该布局模型,将风洞测力、测压以及水洞流动显示试验结果与数值模拟结果进行了详细的分析比较,结果表明,对鸭翼实施展向吹气技术,确实可以延迟和控制主翼涡破裂、增大升力的效果,在大迎角下把鸭翼作为涡发生器对主翼进行控制是可行的,计算结果与试验结果定性上是吻合的,是可以模拟这种复杂流场的。