平流层飞艇气动阻力的参数分析

为了研究环境参数及外形布局对平流层飞艇气动阻力的影响,在验证CFD数值模拟方法的基础上,从气动阻力包括压差阻力与摩擦阻力的角度探讨了风速、动力粘度系数、空气密度、Re数、长细比及尾翼对飞艇气动阻力的影响规律及机理。结果表明：气动阻力系数随风速与空气密度的增加而减小,随动力粘度系数的增加而增加;气动阻力系数随Re数减小的趋势,取决于摩擦阻力系数随Re数的减小趋势;随长细比的增加,摩擦阻力系数呈现增加趋势,但气动阻力系数呈现先减小后增加的趋势;尾翼对气动阻力系数的影响主要体现在压差阻力系数的改变。     

温度对平流层飞艇蒙皮渗透的影响研究

氦气填充的平流层飞艇在临近空间环境中运行,受到太阳辐照,蒙皮温度变化较大。蒙皮的氦气渗透关系着平流层飞艇运行的时间等问题。从理论分析与实验角度得到温度与蒙皮渗透性的关系,通过数值计算平均渗透率,结合飞艇外形及内部压力范围,估算飞艇的寿命。     

平流层飞艇充气柔性膜结构的区间不确定优化

根据随体坐标描述法,以变形后的构型作为参考基准,研究构建准确的充气膜结构应变/位移几何关系。利用虚功原理建立平衡方程,同时使用更新的拉格朗日格式(UL格式)保证膜结构分析求解的精度和稳定性。在充气柔性膜结构的分析和优化中引入不确定性参数,通过区间数学理论对其进行刻画。基于区间不确定性优化的模型和算法,对充气膜结构进行区间可靠性优化,为提高膜结构在复杂工况下的可靠性,降低失效概率提供借鉴和参考。     

平流层飞艇的多目标优化与决策

该文建立了以平流层飞艇阻力最小、自重最轻、极限承载力最大及刚度最大为优化目标的多目标优化模型;采用强度Pareto进化算法(SPEA)进行了多目标优化设计;基于优化所得的Pareto解集,采用基于信噪比的决策方法选择满足实际需要的最终方案。结果表明：采用的SPEA算法是合理有效的,可以得到非劣解分布较均匀的Pareto曲面;通过基于信噪比的决策方法,可从非劣解集中获得满足实际要求的最稳健设计方案。     

含初始裂纹的平流层飞艇用蒙皮薄膜撕裂行为

为了研究含初始裂纹蒙皮薄膜的抗撕裂行为,选用Kevlar纤维增强的具有预制初始裂纹切口(PIC)的平流层飞艇用蒙皮薄膜,采用弹塑性断裂力学平面应力分析方法,考虑经纬向纱束之间的滑移摩擦效应,分析了薄膜裂纹尖端的撕裂强度与变形形式,建立了裂纹尖端撕裂物理模型和基于摩擦效应修正的等差法拉伸变形计算模型,获得了裂纹尖端应力集中区的应力分布。为验证计算模型的合理性,分别对PIC长度为10、20、30及40mm的试样进行了撕裂强度试验。结果表明:当PIC宽度比率不超过0.50时,模型计算值与试验值的误差小于4.12%;与改进的应力强度因子法相比,所建计算模型具有更高的计算精度,为平流层飞艇蒙皮撕裂强度的设计提供了一种有效的方法。     

航空发动机气动附加阻力修正测点布置与试验

通过对某型发动机的室内试车间的整场流场特性进行数值模拟研究,得到发动机试车间内的流场状况,分析了试车间内的速度、静压等物理量,绘制整场流线,针对试车间的气动附加阻力截面法修正方法,研究了在不同截面下的速度、静压变化规律,为气动附加阻力修正截面法在实际试车中的测量布点提供了依据,并且做了某型发动机室内试车台的实测试验,得到了测量及计算结果。结果表明,数值模拟可以清晰的模拟出试车时的整场状态,能得到实测不便测量部分的数据,可以对试车间不便搭建测量的位置进行补充,基于仿真得到的测点布局满足测量和计算的需求。     

基于副气囊和舵面的平流层飞艇姿态控制分配策略

采用副气囊和升降舵作为飞艇俯仰控制的执行机构,分别建立了副气囊和升降舵的俯仰操纵模型.在传统加权伪逆法的基础上,提出了变权增量式伪逆法,以使用基于性能指标的变权方法实现控制分配优化,通过增量方式实现了执行机构主动速率约束.比较副气囊和升降舵操纵能力后,采用相对控制量平方和的变权性能方法,实现了基于执行机构操纵能力的最优分配;通过副气囊和升降舵耗能计算,提出了基于实际能量的变权增量式伪逆法,获得了符合执行机构实际耗能最优的分配结果.仿真结果表明,在高速和低速情况下,两种变权方法都取得了较好的姿态控制效果,基于实际能量的变权方法更能反映飞艇执行机构耗能的真实情况.     

爆炸地震波对地面结构影响效应的数值模拟

运用LS-DYNA3D程序对封闭岩体中的爆炸过程进行了数值模拟,研究表明,利用LS-DYNA3D 程序模拟得出的质点振动速度峰值与理论公式计算出的结果基本相符;另外,模拟得出的随时间变化的地震动加速度可作为地面结构响应计算时的激励,这克服了爆炸地震波激励难以确定的困难,为爆炸地震波对地面结构的影响效应研究及计算方法提供了一定的参考.     

一种气动声源的数值研究

将CFD技术研究引入对一种气动声源的流体数值模拟研究,利用Navier-Stokes方程和RNG湍流模型,并在转动部件与静止部件间用滑移网格技术建立交界面,进行数值模拟,再采用时域和频域分析方法对流场内压力脉动的强度和频率进行分析,并将该结果与该气动声源的试验值进行对比,证明该数值计算的可靠性。     

气动光学效应的数值模拟与预测

介绍了超音速飞行器的气动光学效应 ,并讨论用数值模拟来研究和预测气动光学效应的方法。     

飞艇大攻角绕流气动特性模拟及湍流模型与参数影响研究

飞艇大攻角绕流作为一种典型的分离与漩涡流动,相关研究具有较高难度和十分重要的意义。该文基于数值模拟方法,研究了飞艇大攻角绕流条件下的气动特性,分析了湍流模型选择和湍流强度设置等关键因素对模拟结果的影响。气动力、压力系数、流场显示细节等结果表明：SST 模型和Realizable 均能较准确地模拟飞艇周边流体流动现象,计算得到的气动参数和实验结果吻合良好,而S-A模型和实验存在较大差异;同时发现湍流强度对飞艇气动力存在较大影响,升阻力系数在湍流强度I > 0.5%时随之线性增长。进一步引入了等效雷诺数的概念,证明与原始雷诺数类似,等效雷诺数对气动力影响存在相应的敏感区间,在计算和实验中值得加以注意。     

水下非流线型航行体减阻的数值模拟与比较

针对某水下非流线型航行体的试验模型,采用混合均质流理论、Realizableκ?ε湍流模型进行了自然状态和通气产生超空泡状态下阻力的数值模拟,通过对流线型航行体的数值模拟和经验公式的比较验证了采用方法的适用性,得到了自然和通气状态下非流线型水下航行体的阻力变化规律。计算结果表明,自然状态下非流线型航行体的阻力比流线型的大大增加,压差阻力成为主要成份,但通气形成超空泡后可以大大降低航行体的阻力,在小空化数下摩擦阻力可以忽略。     

超空泡航行体阻力系数的数值模拟研究

采用数值模拟的方法,仿真获得不同空泡形态下超空泡航行体的粘性阻力系数和压差阻力系数,利用这些系数,基于普通流线型航行体的阻力系数估算公式,进行重新拟合修正,形成超空泡航行体的阻力系数估算公式。将无空泡情况下的阻力系数估算公式代入自编的水下航行体弹道仿真软件,计算得到的超空泡航行体全沾湿状态下的水下弹道理论预报结果,与利用模型试验中的实测数据得到的弹道曲线一致性较好,说明数值模拟对超空泡航行体阻力系数的估算基本准确。     

驻点引射飞艇减阻数值模拟

提出一种驻点引射的减阻方法,从飞艇前缘至后缘开流动引射孔,部分外部流动转变成内部流动从引射孔导出。通过求解雷诺平均Navier-Stokes方程,采用SST两方程湍流模型,模拟了具有驻点引射流动飞艇绕流流场,探讨了不同尺寸孔径以及不同的入口形状的流动状态。数值模拟结果显示:驻点引射方法可以有效改善飞艇绕流流动,大幅度降低飞艇阻力系数。不同的孔径以及入口形状的流动结果显示,在飞艇最大厚度1/15的开孔孔径范围内,不同的孔径以及开口形状不会对驻点引射飞艇外部绕流流场产生显著影响。     

桥面典型车辆气动特性及车辆间挡风效应的数值模拟研究

强风不仅是大跨度桥梁设计的控制性因素,同时也会影响到桥上车辆运行的安全,车辆气动特性是研究车辆行驶安全性的前提。基于计算流体动力学（CFD）仿真平台,模拟计算了汽车工业研究协会（MIRA）小车和重型卡车典型车辆在横风作用下的气动特性,分析研究了典型车辆分别位于桥面上不同车道位置时车辆气动力系数随风偏角的变化情况;进一步模拟计算了重型卡车与小车之间的挡风效应,研究了车辆间相对位置对车辆挡风效应的影响。计算结果表明：不同车型以及不同的桥梁车道位置对车辆气动力均有不同程度的影响;重型卡车对MIRA小车有明显的挡风效应,MIRA小车气动力随着车辆间相对位置变化显著,重型卡车气动力也有一定改变。     

超大型冷却塔风致倒塌全过程数值仿真与受力性能分析

历史上强风作用下大型冷却塔风毁事件多次发生,现有研究关注的重点大多为风致塔筒局部强度超限或失稳破坏,均忽略了由局部损坏引发的整体连续倒塌破坏的后续现象,且难以揭示大型冷却塔风致倒塌过程及作用机制。鉴于此,基于计算流体动力学（CFD）与显式动力分析算法（LS-DYNA）技术提出了大型冷却塔风致倒塌全过程数值仿真模拟方法,并以山西潞安电厂世界最高220 m超大型冷却塔为例,建立了考虑材料非线性塔筒-支柱三维有限元模型,并分析了结构动力特性;基于显示动力时程分析方法,加载基于CFD获得的塔筒三维平均风压进行拟动力分析,数值再现了超大型冷却塔风致倒塌全过程;研究了塔筒应力分布变化规律与倒塌全过程的扭曲变形姿态等特征,提炼出冷却塔风致倒塌的受力特点与作用机制,并讨论了单元失效参数的影响。结果验证了该文数值方法可以有效模拟超大型冷却塔风致倒塌全过程;其倒塌过程始于塔筒喉部迎风面大变形,并在两侧30°范围内呈现褶皱现象,最终因变形不协调而相互牵扯垮塌。研究表明,强风致超大型冷却塔倒塌受力机制可划分为弯拱机制与悬绞线机制,材料模型的单元失效参数对于超大型冷却塔风致倒塌的影响不可忽略。     

RC梁三维多向裂缝实验研究及数值模拟

在钢筋混凝土结构中,已存在裂缝对新裂缝的产生和发展有影响,从而对结构承载力性能亦有影响。为研究三维情况下裂缝交叉扩展的机理及其对结构承载力性能的影响,该文设计截面为正六边形对称配筋的钢筋混凝土梁实验,通过变换加载面和加载方式使梁分别产生竖直方向贯通的弯曲裂缝以及两种方向的剪切斜裂缝,并使各裂缝在空间相互交叉。通过实验,观察三维多向裂缝交叉扩展过程,测量梁各阶段荷载-挠度曲线,最后分析裂缝交叉扩展相互作用机理及其对梁构件承载力的影响的基本规律。针对多向裂缝相互作用机理建立三维多向固定裂缝模型,数值模拟结果表明该模型能够模拟多向裂缝交叉情况及其相互作用影响。     

加速度对自然超空泡特性影响的数值仿真研究

利用商业CFD软件对小空泡数下的自然超空泡形态和减阻效果进行了数值仿真研究,通过对软件自定义函数的研究,将边界条件中的来流速度改写为时间的函数并嵌入到软件中,得到了非定常情况下加速度对自然超空泡形态和减阻效果的影响规律。当加速度为正值时,在空泡数相同的条件下空泡的厚度和长度都要比定常条件下的值偏小,而加速度为负值时则刚好相反。模型的粘性阻力系数与加速度没有直接的联系,它主要与超空泡的形态和模型壁面上的含汽率有关。最后将加速度为-100m/s2时的仿真结果与实验结果进行了比较,误差最大不超过35%。