直升机高原山区飞行的风环境仿真建模技术研究

在高原山地环境中，气流风场的复杂变化对直升机的飞行安全有重要影响，创建高原山区环境下的风场模型，对模拟直升机在高原环境下飞行尤为关键。通过收集、分析已有的高原环境气候数据，建立给定区域的三维空间几何模型，采用计算流体力学方法模拟出给定区域的风场布局，并开发实时插值程序，为风场实时再现提供数据样本。     

超强台风山竹近地层外围风速剖面演变特性现场实测

利用多普勒激光雷达在琼州海峡北岸徐闻地区从2018年9月15日12:28到2018年9月17日13:53对1822号超强台风山竹外围风场进行实测,获得台风登陆前29个小时至登陆后21个小时时间范围内每隔10min一次的近地层风速剖面演变数据。总结台风远端风场演变过程的4个阶段:外围小风、登陆前强风切变、登陆后低空急流、台风远离时风速衰减;发现台风远端风场S形和反C形2种风剖面形态;总结距离台风中心230～750km范围内最大风速高度沿台风半径向外先增大后减小的趋势;发现台风登陆前远端风场平均最大风速高度约360m,平均风剖面幂指数0.41,登陆后平均最大风速高度约800m,平均风剖面幂指数0.28;验证Vickery提出的对数律修正模型对台风远端风场风剖面形态的适用性,发现该模型对反C形风剖面拟合度较好,对S形风剖面上部重现度较差。     

基于小波分析的空间相关性风场模拟

根据标量过程AR模型生成空间相关性风场的思路,在文献[1,2]的基础上,进行了基于小波分析的空间相关性风场的模拟.在对风速时程做出合理的假定后,给出了由互不相关的随机过程生成具有给定相关特性随机过程的推导步骤.利用逆快速Fourier变换(IFFT)改进了通过Wiener-Khintchine公式由功率谱密度函数得到自相关函数的计算方法,使计算效率显著提高.对空间四点和大庆电视塔进行了空间相关性风场的模拟,通过统计参数与目标值的对比可以看出,本文方法具有较高的精度.     

Millstone地区垂直等效风场的气候学变化

基于1976---2006年美国Millstone非相干散射雷达的电离层观测数据, 分析了美国Millstone地区不同太阳活动条件下, 包括中性风场和电场漂移共同贡献的垂直等效风场的变化特征. 结果表明, Millstone地区的垂直等效风场表现出比较明显的周日、太阳活动和季节变化特征. 晚间垂直向上的等效风较强, 白天等效风较弱, 甚至接近于零. 在不同太阳活动和季节变化条件下, Millstone地区的等效风场都表现出类似的周日变化特征, 低太阳活动条件下, 晚间表现出较大的向上漂移. 这种周日变化和太阳活动变化特征与Millstone地区受到极区热源驱动大气循环的调制以及离子曳力的增减有关. 春季和秋季有相似的幅度和相位变化趋势, 表现出分点对称性; 冬季晚间向上漂移比夏季弱, 且随着太阳活动增强, 差异更加明显, 这再次体现了极区热源驱动大气循环的影响.     

翼伞系统动力学建模与仿真研究

以精确空投系统研究为背景,综合运用运动力学和空气动力学知识,建立了翼伞系统6自由度非线性动力学模型,该模型包括3自由度沿系统质心的平动和3自由度绕系统质心的转动.根据此模型分析了翼伞系统的整体运动特性(包括运动轨迹和姿态等),并进行了常值风场对翼伞系统飞行特性的影响研究,得出了翼伞系统在滑翔、转弯和雀降模态下的主要飞行参数,从而为翼伞系统飞行控制系统的设计提供了重要的理论依据.     

GPS自动归航系统在变化风场中的轨迹

研究全球卫星定位系统（GPS）自动归航系统在恒定风场中归航轨迹的计算，探讨了系统能够达到预定目标点的条件，给出系统在几种风场中的轨迹图。为了进一步验证归航轨迹能否回到预定点，给出了系统的变化风场中的仿真算法，并通过对仿真结果的分析，提出在系统着陆期间利用GPS定位和测速数据实行逆风控制的方案。     

风力机叶片优化设计目标

研究了变桨型风力机叶片的气动性能计算、叶片设计载荷评估、叶片结构设计、风力机组成本评估及风电场运营模型,并将这些模块进行了整合,得到了度电成本的计算方法,同时提出了风场运营收益最大这一叶片设计目标。基于有针对性的叶片参数化描述,采用自适应模拟退火算法,分别以不同的目标优化设计了1.5MW变桨型的叶片。分析比较了度电成本及风场收益两个指标在平衡发电量和成本上的区别,认为在可以确定上网电价的情况下,以风场收益最大为目标设计叶片能为风电运营商带来更多的收益。     

中高层大气风场对地磁活动的响应特征

统计研究漠河、北京、武汉流星雷达观测到的2012-2018年80～100 km高度的风场数据,比较在地磁平静期(Kp≤2)和地磁扰动期(Kp≥4)的日平均风场数据,得到在地磁活动期风场的变化特征。研究结果表明,在地磁扰动时风场变化具有季节差异和纬度差异。地磁扰动期间,纬向风在较高纬度地区倾向于中间层西风增强,低热层东风增强,纬度较低地区倾向于东风增强。春季,地磁活动对纬向风的影响没有纬度差异,在夏冬季随着纬度的降低中间层东风增强明显。地磁活动对经向风的影响具有季节差异,对春冬季节的影响强于夏秋季节。研究表明,地磁活动对纬向风的影响可达9 m·s^–1左右,对经向风的影响可达5 m·s^–1左右。地磁活动对中性大气风场的影响可达80 km。     

某高层建筑实测风场和风压的相关性研究

通过对台风“天兔”登陆时厦门沿海某高层建筑的风场及建筑物迎风墙面风压的现场实测数据进行分析,研究了高层建筑风场和其迎风墙面风压的状况及它们的相关性。对台风登陆前后的风场和风压数据进行的分析表明:城市上空强风“天兔”的湍流度不是很大,且随着风速的增加变化比较平稳;迎风墙面各测点的风压系数呈现出中间大、两头小的特征,但差别不是很大。在不同平均风时距和不同来流风向角条件下,对迎风墙面风场和风压的相关性进行了分析。结果表明:当基本时距取为3s 时风场同风压的相关性较高,当来流风向垂直于结构迎风墙面时,风场同风压场的相关性比较大。     

临近空间太阳能飞行器横航向稳定性

临近空间太阳能飞行器的横航向气动导数和质量特性与常规飞行器存在显著差异,其横航向模态具有不同于常规飞行器的特点。理论分析表明,临近空间太阳能飞行器滚转交感动导数较大,偏航阻尼动导数较小,导致螺旋模态发散;航向气动阻尼力矩和惯性力矩之比较大,因而荷兰滚模态阻尼比较大。为解决常规线性化动力学模型无法体现风场影响的问题,以地速在机体坐标系中的投影作为状态变量,建立了考虑风场影响、适用于地速为0 m/s状态的线性化横航向动力学模型。利用此模型分析了临近空间太阳能飞行器在水平风和垂直风中的横航向稳定性。分析结果表明,稳定风场对横航向模态特征根无影响,但会导致横航向模态特征矢量发生改变。建立的动力学模型可用于此类飞行器的动力学分析和仿真。