80°后掠三角翼强迫俯仰、自由滚转双自由度耦合运动特性数值研究

耦合求解NS方程和刚体动力学方程数值研究了80°后掠三角翼强迫俯仰、自由滚转双自由度运动特性。内容包括:对比双自由度俯仰/滚转运动和单自由度滚转及俯仰运动特性的差异,研究动态俯仰角对三角翼滚转运动振幅和频率的影响以及三角翼双自由度运动条件下的气动力特性。结果表明:在动态俯仰角的影响下,细长三角翼不能形成极限环形式的振荡;俯仰运动的迟滞效应造成滚转振幅的变化落后于俯仰角的变化;俯仰耦合滚转运动将会导致飞行器升力降低,横向稳定性变差。

基于CFD方法的俯仰静、动导数数值计算

应用时空二阶精度的隐式迭代NND算法,数值模拟了尖锥、钝锥、弹道外形和飞船返回舱等典型再入飞行器作强迫俯仰振荡的粘性动态流场,给出动态气动力和力矩系数的时间历程,在此基础上,运用积分法和奇异分解线性最小二乘法辨识静、动态气动稳定性参数,并与试验结果及半经验理论预测方法进行了比较,表明本文方法具有准确度较高、效率较高及适应性广等优点。

高超声速钝锥体俯仰阻尼导数影响因素分析

采用非定常双时间步长方法、刚性旋转动网格技术,结合空间隐式格式数值分析了高超声速钝锥体定常与非定常流场特征,并运用最小二乘法辨识出钝锥体的俯仰阻尼导数。通过与相应的实验数据、工程估算值进行比较,分析并验证了壁面网格雷诺数、钝头比、攻角与质心位置对钝锥体俯仰阻尼导数的影响。同时采用五种差分格式,其中包含五阶精度WENO与高精度WNND格式,对钝锥体俯仰阻尼导数进行了计算,结果表明不同无粘差分格式对俯仰静导数影响较小,但不同格式之间俯仰动导数结果存在差异,分析认为差分格式之间不同的粘性分辨率应是差异的主要来源。

多种因素对三角翼俯仰/滚转运动特性影响的数值研究

耦合求解NS方程和刚体动力学方程数值模拟80°后掠三角翼强迫俯仰、自由滚转双自由度耦合运动特性,研究了转动惯量、轴承机构阻尼、翼面流态以及俯仰运动频率、振幅、平均俯仰角等因素对三角翼俯仰、滚转双自由度耦合运动特性的影响。结果表明:机翼的转动惯量和轴承的机械阻尼显著影响自由滚转的频率和振幅;在转动惯量、轴承摩擦和湍流等多种因素的共同影响下,三角翼的双自由度运动可能会形成台阶形式的振荡曲线;俯仰运动的振幅、频率以及平均俯仰角对强迫俯仰、自由滚转双自由度耦合运动特性存在不同程度的影响。

基于CFD的俯仰动导数计算和分离方法

基于CFD手段和参数辨识方法,总结归纳了俯仰方向各种动导数的计算方法,并以NACA0012翼型为例分别计算了强迫俯仰振动、俯仰转动和强迫沉浮运动对应的动导数,通过与风洞试验数据对比以及校验上述动导数之间的和差关系,证明了所述动导数计算方法的正确性,并给出了建议的动导数分离方法。

飞行器大迎角下俯仰静、动导数的数值计算

采用一种适用于非定常流动计算的逐次超松弛(SOR)时间推进方法耦合求解非定常Navier-Stokes方程和强迫运动方程,数值模拟了NACA0012翼型、弹道外形(HBS)和有翼导弹等飞行器在不同初始迎角下做强迫俯仰振荡的黏性动态流场,给出动态气动力及力矩系数的时间历程;采用积分法获得飞行器的静导数和动导数,将计算结果与实验结果及半经验理论预测方法进行比较并分析飞行器在大迎角下动态特性的非线性特征;计算结果与实验值相吻合,表明本文采用的非定常数值模拟方法在大迎角下能够较准确地模拟飞行器的动态特性,具有工程应用价值。

谐波平衡法在非定常流场中的应用

谐波平衡法(HBM)适用于模拟周期性非定常流场。求解这类问题时,只需要一个周期中几个等距时刻的流场解,即可重建整个周期流动的时间历程,计算效率较高;同时还采用谱算子精确求解流场变量对物理时间的导数项,保障了算法的计算精度。鉴于此,详细介绍了谐波平衡法的原理和实现过程,并给出了如何在现有计算程序下实现谐波平衡法的流程。取跨声速翼型和超声速钝锥两个周期性强迫俯仰振荡绕流为例,以双时间步方法为参考,对谐波平衡法的效率和精度作了详细的考核和分析。计算结果表明,谐波平衡法的内存消耗较大,谐波数NH=2时约为双时间步方法的4倍,但谐波平衡法取得与双时间步方法相近结果的计算时间仅为后者的1/5。因此,谐波平衡法是一种有应用前景的工程实用方法。对于长周期问题,谐波平衡法的优势更加明显。