时变风场中低雷诺数翼型气动特性研究

太阳能无人机普遍具有低雷诺数效应显著,对突风敏感的问题。以此为背景,采用网格速度法,对低雷诺数翼型FX63-137在低雷诺数下的阵风响应特性进行了研究。首先,通过与实验数据和参考文献对比,对低雷诺数下的数值模拟方法以及网格速度法进行了验证。接着对FX63-137翼型在不同雷诺数以及不同迎角下的阵风响应特性进行了数值模拟。研究结果表明:在小迎角情况下,随着雷诺数的减小,翼型表面分离泡变得饱满,翼型在阵风扰动下的升力系数增量减小,层流分离泡对阵风响应幅值具有卸载作用。在大迎角情况下,由于翼型进入失速区,升力系数增量在未达到阵风扰动最大值时就开始下降。并且在阵风扰动消失时,升力系数增量为负值。同时,在有效迎角相同的上行和下行时刻,翼型流场结构存在较大差异,翼型升力系数增量在上行时刻要大于下行时刻,形成一个不封闭的迟滞环。     

IEC阵风作用下箱梁断面的气动特性分析

基于二维非定常不可压缩雷诺平均N-S方程和RNG k-ε湍流模型,采用CFD（computational fluid dynamics）方法对箱梁断面在IEC（international electrotechnical commission）阵风以? 5°～+ 5°攻角作用下的气动力及流场特性进行数值模拟分析,获得了IEC阵风作用过程中箱梁断面的三分力系数的总体变化特征、入口边界静压变化特性及流场内静压的顺压和逆压特性等。分析表明,IEC阵风模型比TSI（technical specifications for interoperability）阵风模型更适于桥梁气动力的数值模拟分析。     

非结构旋转动态嵌套网格技术及其应用

发展并改进了一套基于非结构网格的旋转动态嵌套网格方法,通过数值求解Navier-Stokes方程对二维/三维带旋转运动边界的非定常问题进行了数值模拟.将计算区域划分成包含旋转运动边界的运动区子域和覆盖其它静止边界的静止区子域,以人工边界和约束线(面)作为约束条件生成整体计算网格,进而根据设置的人工边界完成嵌套网格的建立.对翼型绕流、旋翼/机身干扰流场以及颤振激励系统绕流进行了验证计算,结果与实验值相一致,表明了文中方法能够有效地对带有旋转运动边界的非定常问题进行数值模拟.     

翼型跨音速定常及非定常粘性绕流的数值模拟

发展了一种计算翼型跨音速定常及非定常粘性绕流的数值方法。采用ＬＵ分解隐式三阶迎风格式求解二维非定常可压ＮＳ方程组，紊流模型采用ＢａｌｄｗｉｎＬｏｍａｘ双层代数模型。计算网格采用相对翼型固定的贴体运动网格。数值模拟了ＮＡＣＡ００１２翼型的几种跨音速定常及非定常粘性绕流状态，计算结果同已有的实验数据吻合较好     

变化风场中直升机阵风载荷分析

为精确计算直升机阵风载荷,建立了同时考虑变化风场时间导数和空间梯度的直升机非线性动力学模型.通过质心处过载系数的时域响应仿真实现直升机阵风载荷计算分析,并与工程估算公式计算结果进行对比.由于全面考虑了直升机旋翼、尾桨、机身、垂直安定面和水平安定面等部件对阵风载荷的影响,对比结果验证了该方法在小前进比前飞时具有更高的精度.分析表明垂直方向阵风载荷对直升机结构强度影响较大,且在相同前进比时阵风载荷与阵风强度呈近似线性关系,所发展的方法能够适用于直升机在不同飞行状态和变化风场中的阵风载荷分析.     

一种弹性机翼的颤振主动抑制与阵风减缓方法

由于航空器的弹性性质,飞行过程中飞行参数的不断变化会引发运动稳定性和阵风响应特性的改变。在设计颤振主动抑制或阵风减缓控制器的过程中,以某一飞行状态为基础设计出的控制律往往不能保证在一定飞行参数范围内的性能。针对此问题,首先通过非定常气动力有理拟合方法建立时域连续阵风响应状态空间方程,再考虑模型随马赫数和动压的变化特性建立线性参数变化(LPV)模型。最后以线性参数变化模型为基础构造了包含动压和马赫数参数不确定性的线性分式变换模型,并设计了机翼颤振主动抑制与阵风减缓鲁棒控制器。结果表明,对于算例机翼,其在马赫数0.5~0.7范围内的颤振动压平均增大10%,且在飞行参数不断变化的时域仿真中,翼尖过载的均方根值降低51.4%。     

非结构混合网格下的三维舵面流动计算研究

运用非结构混合网格上N S方程的求解技术对三维舵面的粘性绕流进行了计算研究。在物面粘性作用区,运用改进的推进层方法生成三棱柱、金字塔和四面体型混合网格;在其它流动区域采用阵面推进方法生成四面体网格。采用基于重构中心格式的格心有限体积法和SPALART-A LLM ARAS一方程湍流模型对N S方程进行空间离散,运用通量线化假设和最大特征值方法进行雅可比矩阵分裂来实现隐式高斯-赛德尔时间迭代。以某带舵面偏转的机翼模型为数值算例,系统地计算和分析了迎角、舵偏角及马赫数对舵面气动特性和舵面流动分离的影响,并将计算得到的舵面铰链力矩与实验结果进行了对比验证。数值算例表明:该方法可以为三维舵面气动力和铰链力矩的计算与分析提供有效的数值工具。     

一种改进的非定常气动力模糊逻辑建模方法

针对飞机过失速机动时气动力和气动力矩出现严重的非线性、耦合性和迟滞性等现象,提出了一种改进的模糊逻辑非定常气动力建模方法。该方法基于大幅振荡风洞实验数据分析结果,充分考虑了影响飞机气动力和气动力矩的不同因素,通过二次型隶属度函数将迎角、迎角导数、迎角二阶导数、侧滑角和缩减频率等转化为模糊输入,将模糊规则计算出的气动力和气动力矩作为模糊输出。与其他方法相比,该方法能够对模糊逻辑模型的结构和参数统一辨识,通用性强,模型精度满足给定的多层相关系数要求。最后,根据奇异摄动理论,设计了时标分离的动态逆控制律,采用了串接链方法实现过驱动系统的舵面偏转分配。通过对比常规气动力和非定常气动力下典型的"眼镜蛇"机动仿真结果,说明了过失速机动时建立精确非定常气动力模型的必要性,也验证了动态逆方法对于非线性系统有良好的控制效果。     

基于变形网格技术的翼型结冰数值模拟研究

翼型结冰的过程实质上是其外形随时间改变的过程。对于结冰的数值模拟,计算网格必须随着翼型外形的改变而相应的变化。文章利用非定常N-S方程模拟翼型结冰增长的过程,使用基于无限插值法(TFI)的变形网格技术生成非定常计算的网格。变形网格技术是在初始网格的基础上将物面的变化通过插值均匀分布到场内网格点,该方法能够最大限度地保留初始网格特征,而且生成过程与初始网格不相关。非定常计算利用上一次结冰的流场为初值,而不用从初场重新开始,而且变形网格技术生成网格也远远比求解椭圆型方程快,总的计算时间大幅减少。为了验证方法的有效性,文章对NACA0012进行了结冰数值模拟,计算结果与参考文献的实验和计算结果吻合。     

结合定常CFD技术的当地流活塞理论

结合定常CFD技术和超音速非定常气动力工程计算方法——活塞理论，发展了一种基于超音速、高超音速定常流场求解非定常气动力的当地流活塞理论。适用于超音速、高超音速飞机颤振中的小振幅非定常气动力计算。通过与非定常Euler方程求解结果的比较，发现在马赫数不太高或大迎角的超音速流动中，其精度比原始活塞理论高得多，也能够计算超音速、高超音速下大钝头和考虑机身干扰的复杂外形非定常气动力，扩大了活塞理论的应用范围。与非定常Euler方程或N-S方程的数值求解相比，计算效率很高。     

一种基于MIMO系统动态渐近解耦的阵风减缓方法

提出了一种M IMO系统的动态渐近解耦方法。该方法基于输出反馈、部分状态反馈以及极点配置技术,通过调整控制器参数,将闭环系统的零、极点配置在期望位置上,使闭环传递函数的主对角元素占优,同时将非主对角线元素的动态增益调至最小,从而实现了M IMO系统的动态渐近解耦控制。用该方法对某主动控制飞机的垂直平移模态(直接力控制)进行了解耦设计,并将其应用于飞机的阵风减缓。用该方法设计的垂直平移模态与未采用主动控制技术的飞机进行仿真对比,其抗风性能提高了36%。     

离散阵风幅值计算的方法研究

随机阵风幅值对于飞行器的结构设计和操作性能都是很重要的。针对随机阵风风速幅值的计算方法中存在着无法精确计算、用函数匹配曲线和基于统计经验置信度单一等问题,提出一种新的基于随机阵风频谱相关性直接解算离散阵风幅值并可任意指定幅值置信度的研究方法。给出随机阵风的频谱和离散模型,推导得出了随机阵风幅值的计算函数,并完成结果计算验证。结果表明:该计算方法能准确、方便地计算随机阵风的幅值大小,并可根据不同的性能指标需求指定幅值置信度的大小。     

地形跟随系统中的自校正阵风减缓控制

本文对隐式多维极点配置广义最小方差自校正控制在地形跟随系统中的应用进行了研究。所采用的算法结构，可以满足飞机跟踪精度的要求，克服了选取加权因子的困难。并且，选取独立于加权因子的参数来实现在线调整加权因子，使闭环极点能够迅速地处于期望的位置上。仿真结果表明，系统的动态性能符合要求，跟踪误差也在允许的范围之内。     

基于偶极子的连续突风响应改进算法

文章阐述了基于亚音速偶极子网格法的连续突风响应改进算法.采用四次多项式来近似增量核函数分子,放宽了非定常气动力计算中对气动网格展弦比的限制.以弹性机翼结构为例,探讨了气动网格单元展弦比和网格数对连续突风响应计算结果的影响.对比经典算法、改进算法计算结果,表明改进算法可行有效.该算法减少了高频气动力计算中所需的展向网格数目,可以节约计算时间或存储空间并提高计算精度,对突风控制与减缓研究有一定的指导作用.     

自校正地形跟随/阵风减缓控制系统的研究

本文研究了显式多维自校正控制器在飞机地形跟随/阵风减缓控制系统中的应用。为了满足实时控制的要求,对控制算法作了适当的修正,将辨识系统全部参数改为辨识系统部分参数,因而计算时间大大减少。并针对自校正控制律中加权矩阵选择的困难性和提高系统的控制性能,采用了内回路的补偿方法,组成两级控制的地形跟随/阵风减缓控制系统。     

变结构控制及其对弹性飞行器紊流减载的应用

研究了输出反馈变结构控制在弹性飞行器对大气紊流减载问题的应用．提出了输出反馈变结构控制系统滑动超平面的特征空间结构设计方法和具有鲁棒特性的变结构控制律．实例计算表明：该控制方法用于弹性飞行器对大气紊流减载是可行的．