飞行器多自由度耦合摇滚运动数值模拟研究
发布时间：2024-03-08 21:53
摇滚是现代战斗机大攻角运动下的常见问题，是一种以大振幅自由滚转为主，同时耦合如俯仰、侧滑、沉浮等自由度的复杂运动，密切关系到飞行器的作战效能和飞行包线，是飞行器在选型设计阶段就需要重点关注的动态稳定性问题之一。国内外对飞行器大攻角摇滚现象及其蕴含的物理机理极为关注，开展了大量的研究，但目前仍有大量的问题亟待解决。摇滚现象本质上是多自由度耦合的运动，但从国内外已发表的文献看来，采用单自由度假设的研究占绝大多数，直接研究多自由度耦合摇滚现象的文献十分少见。本文针对飞行器的动态摇滚现象，通过耦合求解N-S方程组和欧拉刚体动力学方程组，数值模拟飞行器不同自由度耦合条件下的非定常摇滚运动过程，研究大攻角摇滚特性及非定常复杂流动机理。 首先，耦合求解流体运动方程组和飞行器刚体动力学方程组建立飞行器多自由度耦合运动数值模拟的高效计算方法和软件。①根据摇滚运动的特点，分析运动的主要自由度，建立耦合运动的非定常动力学模型；②基于有限体积法采用二阶迎风型NND格式和含双时间步的LU-SGS方法离散流动控制方程组，基于刚性动网格技术，耦合求解流动控制方程组和刚体动力学方程组，发展适用于复杂飞行器多自由度耦合...
【文章页数】：235 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
表目录
图目录
摘要
Abstract
符号表
第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.1.1 飞行器大攻角非定常动态特性
1.1.2 动态摇滚现象及其分类
1.2 飞行器动态摇滚问题研究综述
1.2.1 摇滚问题涉及的非定常涡流现象
1.2.2 单自由度摇滚研究
1.2.3 多自由度耦合摇滚运动研究
1.2.4 飞行器摇滚现象的主/被动控制方法研究
1.3 本文的工作
第二章 控制方程及数值方法
2.1 流动控制方程组
2.1.1 Navier-Stokes 方程组
2.1.2 Navier-Stokes 方程组的无量纲化
2.1.3 一般曲线坐标系下的 Navier-Stokes 方程组
2.1.4 有限体积离散形式的 Navier-Stokes 方程组
2.2 空间离散
2.2.1 半离散形式的 NND 格式
2.2.2 Steger-Warming 分裂和熵修正
2.2.3 限制器
2.3 时间离散
2.3.1 隐式时间离散的一般形式
2.3.2 LU-SGS 方法
2.3.3 含双时间步的 LU-SGS 方法
2.3.4 亚迭代收敛指标
2.3.5 粘性项近似隐式处理
2.4 边界处理
2.4.1 远场边界条件
2.4.2 对接边界条件
2.4.3 物面边界条件
2.4.4 对称边界条件
2.4.5 奇性轴条件
2.5 湍流模型
2.5.1 SA 一方程湍流模型
2.5.2 SST 两方程湍流模型
2.6 气动系数计算
2.6.1 气动力/力矩
2.6.2 气动力/力矩系数
2.7 飞行器动态运动的数值模拟
2.7.1 常用坐标系
2.7.2 基于结构化网格的刚性动网格技术
2.7.3 刚体动力学方程组
2.7.4 刚体动力学方程组和流动控制方程组的耦合求解
2.8 并行计算方法
2.8.1 基于 MPI 的分区并行计算
2.8.2 区域划分与负载平衡
2.9 本章小结
第三章 数值方法验证
3.1 定常流动
3.1.1 定常圆柱无粘绕流
3.1.2 定常翼型无粘绕流
3.1.3 层流平板边界层
3.1.4 湍流平板边界层
3.2 定姿态非定常流动
3.2.1 低雷诺数圆柱粘性绕流
3.2.2 圆柱非定常涡脱落
3.2.3 Hummel 单三角翼绕流
3.3 动姿态非定常流动
3.3.1 NACA0012 翼型俯仰振荡
3.3.2 76°后掠三角翼快速拉升
3.3.3 80°后掠三角翼单自由度摇滚
3.4 分区并行计算
3.4.1 分区计算
3.4.2 并行计算
3.5 本章小结
第四章 细长三角翼强迫俯仰/自由滚转双自由度耦合运动特性研究
4.1 飞行器强迫俯仰/自由滚转耦合运动建模
4.1.1 运动描述
4.1.2 俯仰/滚转耦合运动的控制方程
4.1.3 运动控制方程离散
4.1.4 耦合运动时的攻角和侧滑角
4.2 三角翼俯仰/滚转耦合运动特性及实验验证
4.3 多种因素对三角翼俯仰/滚转耦合运动特性的影响
4.3.1 转动惯量的影响
4.3.2 轴承机构阻尼的影响
4.3.3 湍流的影响
4.3.4 俯仰运动特性参数的影响
4.4 本章小结
第五章 细长三角翼自由滚转/自由侧滑双自由度耦合运动特性研究
5.1 三角翼自由滚转/自由侧滑耦合运动建模
5.1.1 滚转/侧滑耦合运动的刚体动力学方程组
5.1.2 滚转/侧滑耦合运动控制方程组的离散
5.1.3 滚转/侧滑耦合运动的攻角、侧滑角以及等效前缘后掠角
5.2 三角翼滚转/侧滑双自由度耦合运动特性
5.2.1 滚转/侧滑耦合条件下的摇滚特性
5.2.2 滚转/侧滑耦合条件下的侧滑运动特性
5.2.3 滚转/侧滑双自由度运动耦合效应分析
5.2.4 滚转/侧滑耦合运动的流场特性
5.3 转动惯量和质量对滚转/侧滑耦合运动特性的影响
5.3.1 转动惯量的影响
5.3.2 质量的影响
5.3.3 采用单自由度假设研究翼摇滚现象的合理性分析
5.3.4 质量和转动惯量的匹配
5.4 三角翼滚转/侧滑耦合运动下的摇滚分岔特性
5.5 本章小结
第六章 细长三角翼滚转、侧滑以及沉浮三自由度耦合运动特性研究
6.1 滚转、侧滑及沉浮三自由度耦合运动建模
6.1.1 滚转、侧滑及沉浮耦合运动的刚体动力学方程组
6.1.2 控制方程组离散
6.1.3 滚转、侧滑及沉浮耦合运动的姿态角
6.2 滚转、侧滑以及沉浮三自由度耦合运动特性
6.2.1 重力显著小于垂向气动力
6.2.2 重力与垂向气动力相当
6.2.3 重力显著大于垂向气动力
6.2.4 三角翼滚转、侧滑及沉浮三自由度耦合的运动分析
6.3 本章小结
第七章 简化战斗机模型动态摇滚运动特性研究
7.1 模型及研究方法
7.1.1 简化战斗机模型
7.1.2 数值模拟方法
7.2 简化战斗机模型定姿态绕流特性
7.2.1 简化战斗机模型静态绕流特性分析
7.2.2 前体截面形状对战斗机横向稳定性的影响
7.3 翼体外形动态摇滚数值模拟与实验验证
7.4 模型机身的摇滚特性
7.5 前体截面形状对翼身组合体摇滚特性的影响
7.5.1 圆截面前体翼身组合体摇滚特性
7.5.2 横置椭圆截面前体翼身组合体摇滚特性
7.5.3 纵置椭圆截面前体翼身组合体摇滚特性
7.5.4 前体截面形状对翼身组合体动态摇滚特性的影响
7.6 机翼前缘形状对翼身组合体摇滚特性的影响
7.7 尾翼布局对简化战斗机模型摇滚特性的影响
7.7.1 单独安装平尾简化战斗机模型的动态摇滚特性
7.7.2 单独安装垂尾简化战斗机模型的动态摇滚特性
7.7.3 安装全尾翼简化战斗机模型的动态摇滚特性
7.7.4 尾翼对简化战斗机模型摇滚特性的影响
7.8 本章小结
第八章 结论与展望
致谢
参考文献
作者在学期间取得的学术成果
本文编号：3922438
【文章页数】：235 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
表目录
图目录
摘要
Abstract
符号表
第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.1.1 飞行器大攻角非定常动态特性
1.1.2 动态摇滚现象及其分类
1.2 飞行器动态摇滚问题研究综述
1.2.1 摇滚问题涉及的非定常涡流现象
1.2.2 单自由度摇滚研究
1.2.3 多自由度耦合摇滚运动研究
1.2.4 飞行器摇滚现象的主/被动控制方法研究
1.3 本文的工作
第二章 控制方程及数值方法
2.1 流动控制方程组
2.1.1 Navier-Stokes 方程组
2.1.2 Navier-Stokes 方程组的无量纲化
2.1.3 一般曲线坐标系下的 Navier-Stokes 方程组
2.1.4 有限体积离散形式的 Navier-Stokes 方程组
2.2 空间离散
2.2.1 半离散形式的 NND 格式
2.2.2 Steger-Warming 分裂和熵修正
2.2.3 限制器
2.3 时间离散
2.3.1 隐式时间离散的一般形式
2.3.2 LU-SGS 方法
2.3.3 含双时间步的 LU-SGS 方法
2.3.4 亚迭代收敛指标
2.3.5 粘性项近似隐式处理
2.4 边界处理
2.4.1 远场边界条件
2.4.2 对接边界条件
2.4.3 物面边界条件
2.4.4 对称边界条件
2.4.5 奇性轴条件
2.5 湍流模型
2.5.1 SA 一方程湍流模型
2.5.2 SST 两方程湍流模型
2.6 气动系数计算
2.6.1 气动力/力矩
2.6.2 气动力/力矩系数
2.7 飞行器动态运动的数值模拟
2.7.1 常用坐标系
2.7.2 基于结构化网格的刚性动网格技术
2.7.3 刚体动力学方程组
2.7.4 刚体动力学方程组和流动控制方程组的耦合求解
2.8 并行计算方法
2.8.1 基于 MPI 的分区并行计算
2.8.2 区域划分与负载平衡
2.9 本章小结
第三章 数值方法验证
3.1 定常流动
3.1.1 定常圆柱无粘绕流
3.1.2 定常翼型无粘绕流
3.1.3 层流平板边界层
3.1.4 湍流平板边界层
3.2 定姿态非定常流动
3.2.1 低雷诺数圆柱粘性绕流
3.2.2 圆柱非定常涡脱落
3.2.3 Hummel 单三角翼绕流
3.3 动姿态非定常流动
3.3.1 NACA0012 翼型俯仰振荡
3.3.2 76°后掠三角翼快速拉升
3.3.3 80°后掠三角翼单自由度摇滚
3.4 分区并行计算
3.4.1 分区计算
3.4.2 并行计算
3.5 本章小结
第四章 细长三角翼强迫俯仰/自由滚转双自由度耦合运动特性研究
4.1 飞行器强迫俯仰/自由滚转耦合运动建模
4.1.1 运动描述
4.1.2 俯仰/滚转耦合运动的控制方程
4.1.3 运动控制方程离散
4.1.4 耦合运动时的攻角和侧滑角
4.2 三角翼俯仰/滚转耦合运动特性及实验验证
4.3 多种因素对三角翼俯仰/滚转耦合运动特性的影响
4.3.1 转动惯量的影响
4.3.2 轴承机构阻尼的影响
4.3.3 湍流的影响
4.3.4 俯仰运动特性参数的影响
4.4 本章小结
第五章 细长三角翼自由滚转/自由侧滑双自由度耦合运动特性研究
5.1 三角翼自由滚转/自由侧滑耦合运动建模
5.1.1 滚转/侧滑耦合运动的刚体动力学方程组
5.1.2 滚转/侧滑耦合运动控制方程组的离散
5.1.3 滚转/侧滑耦合运动的攻角、侧滑角以及等效前缘后掠角
5.2 三角翼滚转/侧滑双自由度耦合运动特性
5.2.1 滚转/侧滑耦合条件下的摇滚特性
5.2.2 滚转/侧滑耦合条件下的侧滑运动特性
5.2.3 滚转/侧滑双自由度运动耦合效应分析
5.2.4 滚转/侧滑耦合运动的流场特性
5.3 转动惯量和质量对滚转/侧滑耦合运动特性的影响
5.3.1 转动惯量的影响
5.3.2 质量的影响
5.3.3 采用单自由度假设研究翼摇滚现象的合理性分析
5.3.4 质量和转动惯量的匹配
5.4 三角翼滚转/侧滑耦合运动下的摇滚分岔特性
5.5 本章小结
第六章 细长三角翼滚转、侧滑以及沉浮三自由度耦合运动特性研究
6.1 滚转、侧滑及沉浮三自由度耦合运动建模
6.1.1 滚转、侧滑及沉浮耦合运动的刚体动力学方程组
6.1.2 控制方程组离散
6.1.3 滚转、侧滑及沉浮耦合运动的姿态角
6.2 滚转、侧滑以及沉浮三自由度耦合运动特性
6.2.1 重力显著小于垂向气动力
6.2.2 重力与垂向气动力相当
6.2.3 重力显著大于垂向气动力
6.2.4 三角翼滚转、侧滑及沉浮三自由度耦合的运动分析
6.3 本章小结
第七章 简化战斗机模型动态摇滚运动特性研究
7.1 模型及研究方法
7.1.1 简化战斗机模型
7.1.2 数值模拟方法
7.2 简化战斗机模型定姿态绕流特性
7.2.1 简化战斗机模型静态绕流特性分析
7.2.2 前体截面形状对战斗机横向稳定性的影响
7.3 翼体外形动态摇滚数值模拟与实验验证
7.4 模型机身的摇滚特性
7.5 前体截面形状对翼身组合体摇滚特性的影响
7.5.1 圆截面前体翼身组合体摇滚特性
7.5.2 横置椭圆截面前体翼身组合体摇滚特性
7.5.3 纵置椭圆截面前体翼身组合体摇滚特性
7.5.4 前体截面形状对翼身组合体动态摇滚特性的影响
7.6 机翼前缘形状对翼身组合体摇滚特性的影响
7.7 尾翼布局对简化战斗机模型摇滚特性的影响
7.7.1 单独安装平尾简化战斗机模型的动态摇滚特性
7.7.2 单独安装垂尾简化战斗机模型的动态摇滚特性
7.7.3 安装全尾翼简化战斗机模型的动态摇滚特性
7.7.4 尾翼对简化战斗机模型摇滚特性的影响
7.8 本章小结
第八章 结论与展望
致谢
参考文献
作者在学期间取得的学术成果
本文编号：3922438
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jingguansheji/3922438.html