求解非定常N-S方程的一种自适应时间步长的罚函数有限元方法

 本文提出了一种求解速度-压力变量形式的非定常不可压N-S方程的数值方法。其中采用罚函数的Galerkin有限元进行空间离散,改进了梯形法的时间积分格式并结合自适应时间步长技术使计算效率最优。文中对圆柱突然启动到Re=100和200时的流场进行了数值模拟,所得到的Karman涡街的诱发过程是满意的。     

N-S方程有限分析数值研究

 本文将有限分析方法用于曲线座标系上紊流N-S方程的数值计算。分别计算了单列和串列叶栅内部流场,计算中采用了k-ε紊流模型和壁面函数。计算结果与试验结果相比较,吻合程度令人满意。有限分析方法在网格单元上对N-S方程进行线化处理,以解析边界条件作为约束,得出解析解,在解析解基础上构造离散代数方程。有限分析方法的最大特点是可以适应对流速度大小和方向,自动调整格式系数,因而具有数值扩散小和稳定性高等优点。     

轴对称多曲面融合结构金属谐振子模型建立方法

金属壳固体波动陀螺是基于固体波的进动效应进行角速度检测的一种全新 轴对称壳振动陀螺,具有结构简单、功耗低、抗冲击性强、稳定性高等优点,可广泛应 用于中低精度角速度测量领域。为分析轴对称多曲面融合结构金属谐振子中固体波的进 动效应,在双曲率坐标系下,基于薄壳理论,建立了理想条件下轴对称多曲面融合结构 金属谐振子中固体波进动的动力学模型。针对动力学模型过于复杂、难于分析的缺陷, 提出了利用弹性力学中的能量原理,建立轴对称多曲面融合结构金属谐振子等效模型的 方法,为金属壳固体波动陀螺的信号检测方法和控制回路设计奠定了理论依据。     

飞机热气防冰系统与冰脊预测的数值模拟

基于流固耦合传热的思想建立了一套飞机热气防冰系统的的数值模拟方法,并将其与积冰热力学模型结合起来,实现了热气防冰系统开启时的机翼积冰预测.采用格心格式有限体积法求解N-S方程获得防冰腔与外流场;通过欧拉法在外流场的基础上获得过冷水滴撞击特性;求解三维热传导偏微分方程获得蒙皮的传热特性;采用交接面插值的方法实现防冰腔到外流场的热量传递;建立了考虑三维溢流效应的积冰热力学模型并在此基础上开展了机翼冰脊的数值预测.数值模拟结果表明:热气防冰系统开启时加热机翼表面温度最高可达308K,加热区后的上下机翼表面均有冰脊形成,通过对结果的分析表明该方法是合理可行的.      

基于三维非结构混合网格的离散伴随优化方法

伴随优化方法在优化过程中不受设计变量个数的限制,有巨大的工程应用前景。基于非结构混合网格技术,采用雷诺平均Navier-Stokes方程、离散伴随优化方法以及自由形面变形（FFD）技术,建立了飞行器气动外形优化设计系统。离散伴随方程采用公式推导的方法直接获取,并运用LU-SGS迭代求解。通过与差分结果进行比较的方式,对通量的雅可比矩阵和目标函数敏感导数开展了确认,并对文中黏性通量项、限制器以及湍流黏性系数的近似处理方法做了分析对比,验证了近似处理方法的合理性和可行性。采用建立的优化系统,完成了ONERA M6机翼在跨声速条件下的减阻优化,并比较了有无容积约束下优化结果的差别。模拟验证结果表明,建立的飞行器气动外形优化设计系统具有较高的可靠性和有效性,可以用于三维飞行器外形的减阻优化。     

基于速度误差的系统级标定方法

为降低捷联惯导系统误差参数标定过程对高精度转台的要求,提出一种基于速度误差的系统级标定方法。在惯性器件误差参数模型和捷联惯导系统误差方程的基础上,以惯导系统转动前后的导航速度误差为观测量,编排设计旋转方案,对加速度计和陀螺的误差参数进行拟合标定。仿真结果表明,与传统的分立式标定方法相比,在保证标定精度的同时,对高精度转台的要求更低,可应用于外场标定。     

跨流域高超声速绕流Boltzmann模型方程并行算法

通过对Boltzmann方程碰撞积分进行模型化处理,提出了统一描述各流域复杂高超声速流动输运现象的气体分子速度分布函数控制方程,使用离散速度坐标法对分布函数方程所依赖的速度空间离散降维,构造出直接求解分子速度分布函数的气体动理论耦合迭代数值格式,研制了复杂飞行器高超声速绕流气动热力学计算模型。基于对气体动理论数值计算方法内在并行性、变量依赖关系、数据通信与并行可扩展性的分析研究,使用区域分解并行化方法提出了新型的气体动理论数值算法并行方案;研究了数据的并行分布与并行执行特征,开展了大规模的并行化程序设计,构造了可稳定运行于成千上万CPU的高性能并行算法,用以模拟各流域复杂飞行器的高超声速绕流问题。以稀薄流到连续流环境下不同Knudsen数、不同马赫数的可重复使用类球锥卫星体及翼身组合复杂飞行器等气动力、热绕流问题为研究对象展开大规模并行计算,并进行算法验证,所得计算结果与理论分析、直接模拟蒙特卡罗方法(DSMC)的模拟值及有关实验数据吻合较好,揭示了飞行器跨流域高超声速下的复杂流动机理与变化规律,提供了一条能够可靠模拟高超声速飞行器跨流域气动力及热问题的统一的算法应用研究途径。     

后掠翼边界层横流不稳定转捩预测模型

通过对经典Falkner-Skan-Cooke三维边界层相似解的理论分析和数值求解,结合二维边界层转捩判据的思想,采用由试验数据标定的C1准则关系式求解横流不稳定转捩位移厚度雷诺数,建立了针对固定前缘后掠角机翼的横流转捩判据,并且通过方程求解和数据拟合得到了该转捩判据的数学结果.应用该模型对30°前缘后掠角的ONERA-M6机翼和45°前缘后掠角的NLF(2)-0415无限展长机翼进行了横流不稳定转捩数值模拟.模拟结果显示:改进后的转捩模型预测所得到的转捩位置精度较高,均与后掠翼横流试验数据吻合较好,从而证明了构建的横流不稳定转捩判据的合理性和实用性.      

非线性因素耦合下电动作动器的 动力学建模与仿真研究

针对飞行器半实物仿真领域对电动作动器高精度建模的需求,对电动作动器的各分系统分别进行动力学方程描述,建立了含间隙、刚度和摩擦等非线性因素的完整电动作动器模型。通过对比模型仿真与实测结果,表明所建分系统的动力学方程是合理正确的。建立的模型对于指导作动器的设计和优化均具有较大的参考价值。     

PR方程推算氮气/灭火剂蒸气等熵指数

氮气(N2)/灭火剂蒸气组成的混合气体的容积等熵指数和温度等熵指数随充填压力和温度的变化关系是影响机载灭火系统灭火剂释放过程的重要因素。基于PR(Peng Robinson)方程和范德瓦尔混合规则,编制了N2/灭火剂混合气体的容积等熵指数和温度等熵指数的计算程序,计算了三组混合气体N2/HFC227ea、N2/CF3I和N2/CF3Br充填压力分别为42MPa和25MPa,初始温度为293K时等熵指数随温度的变化曲线。结果表明:它们的容积等熵指数和温度等熵指数随着温度的升高而逐渐下降,呈近似线性关系。在相同温度下,充填压力为42MPa时的三组混合物的容积等熵指数和温度等熵指数均高于充填压力25MPa时的结果。在相同的充填压力和温度下,N2/CF3I的等熵指数最大,其次为N2/HFC227ea和N2/CF3Br的最小。