固体火箭发动机喷管燃气舵铰链力矩参变分析

以固体火箭发动机喷管燃气舵绕流流场为研究对象,采用数值模拟技术,通过离散求解流动方程及相关湍流模型方程,对包含舵基、舵片和发动机喷管在内的复杂流场进行了变参数分析,获得并揭示了舵基、舵片附近的流动现象和流动特点.验证了所引入的数值模拟方法的有效性,分析结果对舵基、舵片的结构安装以及控制机构的设计具有借鉴意义.     

非结构变形网格和离散几何守恒律

数值模拟流固耦合问题或多体分离问题的非定常流动时,常采用基于任意拉格朗日-欧拉（ALE）方程的有限体积法,涉及到变形网格和离散几何守恒律。在对变形网格算法进行综述时,按照构造思想分为物理比拟、椭圆光顺、插值、运动子网格（MSA）及其混合法共5类,分别介绍了基本原理、研究现状和适用范围,通过算例比较表明,径向基函数（RBFs）和运动子网格相结合的混合方法既有很好的变形能力,也有较高的计算效率,值得进一步发展和推广。在介绍了离散几何守恒律（DGCL）概念之后,采用二维几何模型进行分析,指出其机理是离散过程中体积增量与网格面元扫过的体积不相等造成的,把目前国内外应用的算法分为面积修正法、给定速度的面积修正法、速度修正法和体积修正法共4类,对其应用范围和存在的问题进行讨论,认为提出的体积修正算法既可以保证流固界面条件,也可以用于时间多层格式。     

PID控制器与CFD的耦合模拟技术研究及应用

飞行控制系统（FCS）与计算流体力学（CFD）的耦合求解是一个崭新的研究领域。传统的飞行控制系统的工程仿真方法依靠气动力模型或气动力数据库得到不同飞行姿态的气动力;而当前方法通过耦合求解Navier-Stokes方程和刚体动力学方程（RBD）以获取飞行器运动过程实时流场和非定常气动力。由于充分反映了气动力的非定常、非线性效应,因而从根本上保证了飞行控制系统仿真的精度。以方形截面导弹俯仰姿态控制为例,首先给出了系统的传递函数,并基于系统在单位阶跃舵偏操纵下的开环响应特性,提出了传递函数的修正方法,进而设计了该外形俯仰姿态控制的PID控制器。数值模拟了不同控制参数时,P控制器、PD控制器和PID控制器的控制效果。针对不同的控制指令,根据建立的控制律,数值模拟了飞行器在PID控制器作用下的实时响应过程,最终成功实现了对飞行器的俯仰姿态控制。研究发现,当飞行器作慢速机动时,工程仿真与CFD数值计算的结果吻合很好,两种方法可以互相验证;但快速机动时,两种方法给出的结果差异明显,基于CFD的耦合模拟方法由于模拟了飞行器运动和舵面偏转导致的非定常流动过程,其结果比基于静态气动力的工程方法的可靠性更高。在大攻角和快速机动等非定常效应较强时,采用CFD方法评估和验证飞行控制系统是很有必要的。     

航空发动机轴承腔油气两相流流动数值研究及验证

为检验传统的单向耦合模型是否适用于轴承腔油气两相流流场计算,建立了双向耦合模型.对比分析不同转速喷油后,两种模型腔内空气速度和湍动能的分布.并将双向耦合模型计算的数据与文献中实验数据对比.结果表明:喷油后空气速度分布总体变化规律与单相空气流动相似,但各点处空气速度均明显下降,平均空气速度在转速为8000r/min时变化最快;油滴的运动与蒸发对空气速度和湍动能影响较大,尤其是腔室主流区域空气速度由于油滴的耦合作用将会下降10%~15%,所以油滴对空气场的作用不能忽略.      

导弹大迎角下非线性诱导滚转力矩数值研究

采用计算流体力学（CFD）数值模拟方法,研究战术导弹大迎角状态下涡破裂导致滚转力矩随迎角非线性增长引起舵面控制能力不足的现象。首先通过标准模型的数值分析,验证了所采用的CFD方法具有三角翼前缘涡破裂现象的捕捉能力;然后采用雷诺平均Navier-Stokes方程对某“++”字正常布局导弹构型（含弹翼、弹身、尾舵和整流罩等）进行了数值模拟,结果显示亚声速状态下滚转力矩在迎角大于20°时出现非线性增长,导致全动尾舵的滚转控制能力不足。通过分解各部件对滚转力矩的贡献,并分析流场结构,探明了该现象发生的流动机理,其主要原因是：随着迎角的增长,弹体迎风面的尾舵前缘涡首先发生破裂,导致其平衡诱导滚转力矩的作用被削弱。     

航空拖曳诱饵系统的动态特性研究

为准确预测航空拖曳诱饵系统能否干扰成功,建立了系统的物理数学模型并对其动态特性进行了仿真研究。应用集中质量法,将柔性拖曳缆绳离散为一系列由阻尼弹簧连接的节点,建立了缆绳的动态模型;对诱饵进行受力分析,建立了诱饵的六自由度模型;提出了缆绳与诱饵的耦合条件,使模型更加精确。分别对诱饵释放过程中,以及释放完成后载机机动时系统的动态特性进行了仿真研究,给出并分析了缆绳的形状、张力和诱饵的姿态角等参数的变化规律。结果表明：为避免出现“鱼钩”现象,应尽可能减小释放诱饵的初速度与载机空速的夹角;应按梯形速度释放诱饵,以使缆绳中拉力的最大值较小。释放完成后,应控制载机最大飞行速度,以避免缆绳进入载机的高温尾喷流区;载机作盘旋时,缆绳在载机的圆形轨迹之外,且载机飞行速率一定时,角速度越大,缆绳向外趋势越大,越有利于避开载机的尾喷流区。     

用于质量特性参数测量的新型气浮扭摆台

常规扭摆台采用滚动轴承和扭杆振动结构,纵向尺寸大、测量精度低、抗倾覆力矩小,不能满足质量特性参数综合试验台的要求,必须对其进行结构的分析和优化。本文提出交叉弹簧板结构替换扭杆,减少了扭摆台纵向尺寸,分析和实验表明该结构具有和扭杆相同的振动效果。将滚动轴承替换为气浮轴承,提高了抗倾覆力矩,测量精度最高达0.1%;采用有限元法对柱坐标系下修正的雷诺方程进行仿真计算,研究气浮轴承结构参数对承载能力和抗倾覆力矩的影响规律,确定了给定轴承外径下的最优几何参数。实验表明,改进的试验台提高了测量精度和振动稳定性,对卫星等飞行体质量特性参数的测量有重要的意义。     

小展弦比带掠风扇转子叶片的耦合颤振

从结构力学出发,对某发动机整体叶盘进行了盘片耦合振动特性分析,通过分析小展弦比带掠风扇转子叶片的共振转速、耦合颤振和失速颤振,发现了该小展弦比带掠风扇转子叶片存在2阶与3阶动频与静频振型发生变化的特殊现象,揭示了该小展弦比带掠风扇转子叶片为另一种耦合颤振的问题.通过对该小展弦比带掠风扇转子叶片的结构调整,找出了叶片前掠是该叶片发生此类特殊现象的重要影响因素,适当压缩该叶片的前掠后,从设计上避免了发生颤振的可能,提出叶片各阶频率的分离度需满足10％的设计要求.      

前行桨叶概念旋翼气动弹性响应分析

基于CFD/CSD松耦合策略,建立了前行桨叶概念（ABC）旋翼气动弹性分析方法.CFD计算中以非定常Euler/N-S方程为控制方程,通过动态重叠网格及动网格方法实现桨叶的运动及变形;桨叶结构模型通过中等变形梁理论得到;CFD和CSD数据每隔一个旋转周期交换一次.以XH-59A直升机为例,对不同前飞速度下的旋翼效率进行了分析,计算结果与试验值吻合良好.然后对旋翼振动载荷、桨尖间距、升力偏移量及桨叶载荷进行了分析,研究了前飞速度、旋翼交叉角、提前操纵角等参数对上述动力学性能的影响.该文方法具有很好的分析精度和工程适用性,分析结果可为前行桨叶概念旋翼设计提供重要参考.     

导弹地效区飞行空气动力和飞行力学特性研究

采用CFD和风洞试验技术,研究了导弹地效区飞行的空气动力和飞行力学相关特性。研究结果表明,导弹地效区飞行,由于受到地面效应的作用,其空气动力和飞行力学特性同常规自由空间飞行相比,发生了较大变化,常规导弹气动布局很难实现地效区飞行。由于地效区飞行运动响应十分复杂,加之飞行高度很低,这使现有飞行控制技术难以适应。这要求在气动布局设计中,必须将气动力、飞行力学和控制响应一体化考虑,气动布局技术是协调解决运动响应和动力学耦合的核心。