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基于CFD的机翼阵风响应及减缓计算

顾宁  
【摘要】:本文基于非定常Euler、N-S方程开展离散阵风响应及减缓的数值模拟方法研究,主要包括阵风响应数值分析的网格速度法研究、弹性飞行器阵风动态响应时域分析法研究、阵风减缓技术的数值模拟方法研究、阵风响应的降阶模型研究等方面。 在传统的网格速度方法基础上,提出了一种在固定网格上模拟翼型俯仰沉浮非定常运动的方法。对于俯仰运动,不仅给全流场一个旋转的网格速度来模拟翼型的旋转速度,而且给全流场一个垂直的网格速度来模拟翼型的旋转角度;对于沉浮运动,只需要给全流场一个垂直的网格速度就可以模拟翼型的沉浮过程。算例和分析表明,这种方法可以直接运用于非定常Euler方程,但是对于非定常N-S方程,如果网格速度在空间上不是均匀分布,需要加入粘性通量修正。 将网格速度法与动态网格技术相结合,采用模态理论考虑结构振动。通过在时域内耦合求解非定常Euler/N-S方程和结构运动方程,迭代计算实现气动/结构/阵风耦合系统的动态响应分析。机翼自身的非定常刚体运动和阵风作用通过网格速度法来考虑,而结构振动变形仍然采用动态网格技术来模拟。该方法免去机翼刚体运动时的大网格变形,提高了程序的鲁棒性,计算效率高,计算结果和动网格方法的结果一致。 针对气动/结构/阵风/控制耦合系统,建立并完善了基于CFD的非线性阵风减缓数值仿真程序。在基于CFD阵风动态响应时域分析的基础上,结合控制系统,在时域内同步控制操纵面偏转,实现非定常阵风响应减缓技术的数值模拟。数值仿真结果表明:副翼间隙会减少副翼的减缓效率;在跨音速区域,机翼会发生减缓效率降低的情况,在进行实际控制方法设计时必须考虑这种较高马赫数下减缓效率降低的情况。 基于ARMA模型和卷积模型,对二维翼型的阵风气动力进行快速预测。基于卷积模型,发展了一种直接计算自由弹性机翼阵风响应的方法,这种方法不需要把广义阵风气动力和广义结构气动力分开考虑,只需要计算一次自由弹性机翼在锐边阵风下的响应过程,计算效率更高,这种方法能快速计算出不同阵风环境下的极端载荷包线。


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