一种跨音速伺服气动弹性分析方法

基于CFD技术,运用系统辨识方法,建立了基于模态坐标的跨音速气动力降阶模型(ROM)。耦合气动状态方程、结构状态方程和伺服状态方程,建立了一个适合跨音速伺服气动弹性分析的数学模型。算例首先通过对比基于ROM技术的分析结果和直接仿真结果,以证明该模型的正确性和精度。在保证精度的同时,其计算效率比直接耦合CFD技术的仿真方法高1个～2个数量级。算例还研究了传感器安放位置和结构陷幅滤波器对该导弹伺服气动弹性特性的影响,结果显示结构陷幅滤波器的引入可以显著地降低开环气动弹性系统和控制系统的耦合。     

基于动态近似边界条件的气动弹性数值模拟

发展了一种利用欧拉方程计算非定常气动力的数值方法,通过在固定物面边界上满足动态近似边界条件计算出非定常气动力,避免了在每个时间步重新生成网格或需用动网格技术进行网格变形处理过程,提高了计算效率。运用这种方法计算了一系列非定常气动力算例,并与非结构动网格准确边界条件下的欧拉方程解和实验数据进行了比较,进一步分析了翼型俯仰角和马赫数对非定常气动力相对误差的影响。将气动力解算器与结构方程耦合进行气动弹性数值模拟,计算了跨音速具有S型颤振边界的二元气动弹性标准算例-Isogaiwing。算例结果表明,利用动态近似边界条件的欧拉方程具有简便、高效的特点,并能在小振幅情况下得到与精确边界条件精度相当的非定常流场解,还可以用于气动弹性分析。     

非线性伺服气动弹性的时域数值模拟

运用非定常流场求解器 ,直接求解翼面作任意运动的时域非定常气动力。将拉氏域内的伺服传递函数转化成时域内的伺服状态方程。通过时域气动力、结构状态方程和伺服状态方程的耦合求解 ,实现伺服气动弹性的时域数值模拟。可以方便地模拟如跨音速、大迎角及高超音速等带有不同非线性的伺服气动弹性响应。通过数值模拟发现 ,伺服系统会降低原有气动弹性系统的稳定性 ,结构陷波器的引入可以减弱伺服系统和结构模态的耦合。应用算例给出了大迎角下翼面的极限环响应和 M=7时伺服颤振速度随迎角变化的非线性特性。     

基于当地流活塞理论的气动弹性稳定性分析方法研究

基于改进的当地流活塞理论,推导了用模态坐标表示的弹性振动翼面的非定常广义气动力表达式。通过与非定常Euler方程的比较,证明该气动力模型具有较高的数值精度,放宽了原始活塞理论对翼型厚度、迎角、马赫数的限制。再耦合两自由度结构运动方程,在时域和频域内实现了超音速、高超音速气动弹性的稳定性分析。应用算例计算了一系列二元机翼和三维舵面的气动弹性特性。通过与耦合非定常Euler方法或实验结果的比较,证明该方法在保证精度的同时大大提高了超音速气动弹性的计算效率,在颤振分析中有较高的工程实用价值。     

基于Euler方程的B型和C型嗡鸣特性数值研究

运用非定常Eu ler方程求解气动力,耦合结构运动方程,采用改进的四步龙格-库塔推进方法,在时间域内研究了音速附近发生的单自由颤振问题。其中气动力模块采用非结构网格技术进行空间离散,运用线性弹簧方法实现非结构网格的运动。空间上采用Jam son中心格式的有限体积法,时间上采用双时间推进方法。从无量纲化的结构方程出发,把M数、音速、密度、舵面刚度、转动惯量、弦长等一系列气动、结构参数对嗡鸣特性的影响归结为三个无量纲参数的影响。通过研究发现,运用非定常Eu ler方程可以模拟B型和C型嗡鸣,但不能模拟因激波附面层干扰而产生的A型嗡鸣。C型嗡鸣比B型嗡鸣发展缓慢,提高系统阻尼对于排除C型嗡鸣更有效。     

一种改进的气动弹性时域推进方法

针对气动弹性控制方程,结构项采用标准龙格库塔方法推进,广义气动力项采用时间上的插值技术,发展了一种在每一时间步内只用计算一次非定常气动力的近似四阶龙格库塔推进方法。通过计算非线性Bernoulli方程和某一超音速翼面的气动弹性响应,证明该方法的时间准确度远高于采用气动力冻结技术的四阶龙格库塔方法。其准确度与标准龙格库塔方法相差不大,而其调用非定常气动力求解器的次数仅为其四分之一,大大提高了气动弹性数值模拟的效率。对于一般的气动弹性响应而言,该时间推进方法只用保证每个周期内的时间步在20～30个左右就能满足较高的准确度要求。     

基于γ-Re_(θt)转捩模型的二维翼型跨音速颤振边界预测EI北大核心CSCD

转捩现象对跨音速流场和气动力有一定影响,但是目前大多数颤振问题研究主要采用全湍假设,并未对转捩现象加以考虑。基于非定常雷诺平均N-S方程(Reynold Averaged Navier-Stockes,RANS)和γ-Re_(θt)转捩模型,耦合结构运动方程,建立时域气动弹性分析方法,其中结构运动方程采用基于预估-校正技术的四阶隐式Adams线性多步法进行时域推进求解;分别对采用全湍假设和考虑转捩影响的Isogai案例A模型的跨音速颤振边界进行研究,从气动力做功的角度分析转捩对跨音速颤振特性的影响机制。结果表明转捩现象使得跨音速凹坑程度较全湍流动有所加深,凹坑范围扩大,跨音速凹坑最低点的颤振速度减小了41.6%;因此,在对表面存在转捩现象的翼型开展颤振分析时,必须在流场控制方程中添加转捩模型,从而准确分析颤振边界。     

基于γ-Re_(θt)转捩模型的二维翼型跨音速颤振边界预测

转捩现象对跨音速流场和气动力有一定影响,但是目前大多数颤振问题研究主要采用全湍假设,并未对转捩现象加以考虑。基于非定常雷诺平均N-S方程(Reynold Averaged Navier-Stockes,RANS)和γ-Re_(θt)转捩模型,耦合结构运动方程,建立时域气动弹性分析方法,其中结构运动方程采用基于预估-校正技术的四阶隐式Adams线性多步法进行时域推进求解;分别对采用全湍假设和考虑转捩影响的Isogai案例A模型的跨音速颤振边界进行研究,从气动力做功的角度分析转捩对跨音速颤振特性的影响机制。结果表明转捩现象使得跨音速凹坑程度较全湍流动有所加深,凹坑范围扩大,跨音速凹坑最低点的颤振速度减小了41.6%;因此,在对表面存在转捩现象的翼型开展颤振分析时,必须在流场控制方程中添加转捩模型,从而准确分析颤振边界。     

非结构运动网格下的三维机翼颤振数值分析

利用非结构运动网格技术,考虑三维机翼弹性变形求解三维跨音速非定常流场,同时耦合多自由度结构运动方程进行跨音速标模算例AGARD445.6机翼的颤振数值分析。采用的流动控制方程为三维非定常Euler方程。用中心有限体积法进行空间离散,用双时间隐式方法进行时间推进。数值分析获得的颤振临界速度与马赫数关系曲线明显反映了跨音速颤振临界速度随马赫数变化出现“凹坑”的物理特征。同时,数值分析结果与风洞实验结果一致性较好验证了所使用的方法。     

适用于气动弹性的气动力自适应辨识方法

非定常气动力降阶模型可代替计算流体力学求解器用于气动弹性分析。通常多数降阶模型对于参数变化缺乏鲁棒性,此时需要重新构建模型以适应新参数条件,这样的计算消耗也是相当可观的。该文基于Volterra理论研究了适用于气动弹性的非定常气动力自适应辨识方法。利用Haar尺度函数从系统的输入/输出数据中提取出Volterra核,该核展开为级数形式,各项展开系数可表达为单一变参的函数,那么新参数对应的降阶模型就能通过插值方式获得。算例选取了一个二维的NACA64a010翼型,数值结果表明在结构作微幅振动时,该降阶模型适应了参数变化,能够比较准确地预测系统的非定常气动力响应。