新概念融合升力体气动布局设计优化方法研究

参考国内外高升阻比飞行器气动布局设计经验,针对进出空间飞行器的气动特性要求,开展跨速域高升阻比融合升力体气动布局(BLB)研究以适应进出空间飞行器的各种要求,在传统的翼/身外形的气动效率与纯升力体高容量效率之间寻求平衡。研究表明通过构建融合升力体数模,研究气动外形的系统参数化描述方法,选择设计变量及变化范围,研究优化算法,建立融合升力体气动布局设计及优化工具,开展融合升力体气动外形优化设计是一种值得深入探讨的研究方法。本文主要通过优化平台集成数模参数化程序、网格自动化及基于Euler方程的快速流场求解程序进行优化设计并对优化结果进行分析计算,发展了一种快速有效的气动布局优化设计方法,设计了初步满足设计要求的新型高升阻比融合升力体气动布局。设计的新布局能为再入飞行器气动布局设计提供参考,所发展的优化设计方法计算速度快,成本低,可以为走向工程实用化的复杂外形气动布局优化设计打下技术基础。     

大迎角下俯仰振荡对细长体气动特性的影响

通过对头部无扰动和有扰动的两个细长体模型进行数值计算,分析了各个流场中涡系结构和气动力变化历程,并对比两者之间的差别.发现在高频率小振幅的俯仰振荡作用下,头部无扰动和有扰动的细长体的流场随时间的发展慢慢由非对称转变为对称.相对于头部有扰动的细长体,在第一个振荡周期内非定常俯仰运动对头部无扰动的细长体作用更明显.     

复杂外形网格生成技术

复杂外形网格生成是进行流场数值模拟的一个关键技术及前提。本文论述了采用保角变换方法,求解偏微分方程方法以及它们在代数方法结合生成二维及三维具有多块网格结构的贴体且与边界正交网格的技术。     

细长旋成体大迎角非定常运动数值研究

利用DES方法对处于非对称流态下的细长旋成体进行了俯仰和偏航振荡的数值模拟,观察细长体气动特性尤其是背风面非对称分离涡的变化。计算结果表明在大迎角非对称多涡系情况下,固定频率和振幅的非定常运动可以改变流场结构和气动力,对细长体背风面流态有巨大的影响。俯仰振荡对非对称分离涡有明显的控制作用,抑制流场的非对称性,使分离涡趋于对称;而固定频率的偏航振荡则破坏背风面分离涡的稳定性,激励非对称背涡产生随时间变化的周期性脱落。所进行的非定常运动与细长体流场耦合作用研究在国内外研究尚少。     

压气机进气畸变数值模拟技术研究

发展了一种针对进气畸变条件下的风扇/压气机进行性能预估和稳定性分析的计算方法。首先研究了将叶片作用力简化为体积力源项的建模方法,在此基础上开发出一套基于体积力的三维进气畸变数值模拟程序,使用该程序对NASA Rotor 35在均匀进气、进口存在稳态总压畸变及同时存在总压和总温畸变的流场进行了模拟分析。结果表明,该程序获得的压气机特性及参数分布与雷诺平均Navier-Stokes(RANS)计算吻合得很好,同时正确地模拟出了压气机转子与上游畸变来流的耦合作用及其对压气机性能和稳定工作裕度的影响。     

绕平头回转体非定常空化流体动力特性研究

采用高速全流场显示技术和动态应变式测力系统实验研究了绕平头回转体的非定常空化流动及其动力特性。实验在闭式水洞中进行,采用高速摄影的方法观察了在不同空化数下绕平头回转体的空穴形态,应用自编软件对图像进行处理获得了空穴尺度随时间的变化,测量了所受到阻力,并对空穴尺度和阻力信号的时域与频域进行了分析,得到了平头回转体阻力在非定常空化阶段的时频特征。结果表明:在各个空化阶段,空穴尺度及其对应的动力特征均呈现明显的非定常特性。在空化数较大时(σ=1.05～1.20),仅在回转体头部后端区域存在不稳定的空泡脉动区域,此时,由阻力系数得到的时频信号呈无规则的波动;当空化数降至0.75以下时,出现了大尺度空穴断裂与空泡团脱落现象,捕捉到了绕平头回转体空泡的非定常周期性脱落过程和典型特征频率。绕回转体阻力系数曲线随着空化数的减小波动幅度不断加大,并且空穴尺度和平头回转体所受阻力主频随之发生改变,特征频率逐渐显现,并且形态特征频率与动力特征频率存在高度的相关性。     

旋转惯导系统中的圆锥误差分析及其补偿

圆锥误差是由转动不可交换性误差引起的,存在于惯导系统导航解算的一种误差形式。由于基于旋转调制方式的惯导系统运动模式与传统捷联惯导系统不同,因此圆锥误差的表现形式也会发生相应变化。首先建立了旋转调制惯导系统的圆锥运动模型,对其不可交换性误差进行了推导。在此基础上分析了基于等效旋转矢量的多子样算法在旋转惯导系统圆锥误差补偿中的应用效果以及旋转方案对圆锥误差补偿的影响,最终通过仿真对理论分析进行了验证。仿真结果表明,圆锥误差对于旋转惯导系统的影响要大于传统惯导系统,但可以通过改变旋转方式来对圆锥误差进行抑制。     

吊挂物为刚体模型的直升机外吊挂飞行平衡与稳定性分析

基于外吊挂刚体假设,建立直升机-刚体吊挂耦合非线性动力学模型,刚体模型的外吊挂引入了额外的自由度和额外约束,使原来的9阶直升机非线性动力学方程增加到19阶,并通过小扰动假设进行线性化。利用延拓方法对直升机-刚体吊挂系统在不同的飞行速度下进行配平,与直升机单体飞行的实验数据以及直升机-质点吊挂系统的计算结果进行对比,分析带刚体外吊挂的直升机与无吊挂和质点吊挂模型平衡状态的差别。采用差分法计算刚体吊挂假设下直升机的运动模态,并分析加入外吊挂后对直升机稳定性的影响。结果表明,刚体外吊挂给系统引入5个新的运动模态,其中吊索摆动的两个运动模态是稳定的,而吊挂姿态运动的3个运动模态不稳定,同时吊挂的引入使得直升机运动的短周期模态和滚转模态变得不稳定,严重影响了直升机的飞行品质。     

可压缩流中声激励对细长体大迎角流动非对称性的影响研究

在跨声速风洞中研究了声激励对于可压缩流中细长旋成体大迎角流动非对称性的影响效果。结果表明,在可压缩流场中,声激励对于细长体典型迎角下的流动非对称性依然有着一定的影响,但由于高速风洞中流场本身的湍流度较高,声激励效果要比低湍流度不可压缩流中的影响弱。     

Re数对细长旋成体非对称涡及气动力特性影响的实验研究

通过对细长拱柱旋成体大迎角绕流不同截面测压结果分析,探讨了绕流Re数对非对称涡结构和气动特性的影响,得出Re数不仅影响分离线位置和绕流流态结构,而且影响边界层的绕流特征及其分离涡的强度,非对称性的出现与细长体两侧边界层的绕流特征和分离涡的强度不等存在密切的关系。特别是在同种流态下,两侧边界层的绕流特征和分离涡强度不等是造成侧向力的主要原因;在两侧不同的流态下,转捩不对称是产生大侧向力的主要原因。