一种基于飞行仿真的空地一体化试飞技术框架

在现代民用运输类飞机的试飞工作中,权衡试飞效率与试飞安全之间的关系,尽可能地压缩试飞周期是试飞从业人员需要不断提升的能力。为了提升试飞监控人员的实时安全评估能力,进而提升试飞效率,提出了一种基于仿真的空地一体化试飞监控技术框架。该技术框架在常规的试飞监控系统基础上,增加了试飞安全评估模型、空地数据同步系统和试飞遥测数据实时处理功能等,总体框架适用于大多数试飞科目,但试飞安全评估模型需根据试飞科目的试飞要求进行仿真需求捕获、场景分析和模型验证等环节。以侧风着陆试飞科目为例,说明了空地一体化试飞技术的基本应用过程,可为空地一体化试飞技术的推广提供参考。

露天试车台侧风装置气动特性数值模拟

为了探究露天试车台侧风装置的气动流场特性,采用商用软件构建了侧风装置的全3维数值模型,完成了侧风装置气动特性的数值模拟。结果表明:安装在靠近侧风装置壁面附近的风机对风场边界产生影响,最中间1台风机排出的气流直接影响速度核心区中心风场,临近最中间水平方向两侧的2台风机排出的气流对关注截面偏离z中心轴线±0.25D位置产生影响;气流从侧风装置排出后可发现核心流速区、掺混区和低速扰动区3个区域,核心流速区内的气流变化平稳,未见大的波动;在以发动机进气轴线为中心d=0.8D直径范围内,随着风速的增大,最大流速差逐渐增大,速度不均匀度逐渐减小。研究结果可为发动机开展侧风试验提供理论和技术基础。

航空发动机露天侧风试验装置流场特性数值模拟

为了分析侧风试验装置的流场特性,建立了真实尺寸的CFD数值仿真模型,利用集总参数模型模拟了风机流动,研究了整流装置、风机布局和自然风对装置流场特性的影响。结果表明:稳定段加装3层开孔率为0.50~0.55的阻尼网可以使试验区动压系数μ≤0.005,改善了风机布局和收缩段突缩对出口流场品质产生的不利影响;装置内部外圈风机的流量低于中心风机的,且不同布局的风机组合具有不同的流场特性和抗自然风干扰能力;风向与装置轴线夹角为30°及以下的自然风对流场品质影响较小且有利于风机风量的输出,而夹角大于60°时装置内靠近风向一侧的风机受到的扰动较大,同时装置出口的射流方向发生大幅度偏转。研究结论对于航空发动机露天侧风试验装置的设计、使用和完善,以及进一步开展喷水、喷砂特性的模拟分析具有较大参考价值。

复杂环境下起落架动力学行为研究现状与展望

高低温环境、侧向阵风及跑道湿滑是飞机着陆滑跑阶段较常见的恶劣场景,给飞机着陆安全性与滑行操纵性带来危害,是起落架动力学研究中重点关注的问题之一。在现有起落架动力学理论的基础上,考虑复杂环境因素的影响,学者分别采用理论分析、数值仿真、物理试验等手段对起落架着陆滑跑阶段的动力学特性进行了研究,形成了相关数值计算工具及试验技术,开展了动力学特性试验验证,并发展了起落架系统动力学优化设计方法。本文详细论述了军民机着陆与滑跑阶段涉及的关键动力学问题及研究现状,重点对复杂环境下飞机起落架相关试验技术、着陆缓冲分析与优化方法等方面进行了综述。最后,结合未来飞机起落架技术的发展与创新,对起落架着陆与滑跑动力学问题的未来发展方向进行了展望。

不同深宽比矩形平面超高层建筑横风向风荷载的试验研究

工程实践中常发现当板式超高层建筑平面的深宽比(D/B)较大时,荷载规范建议的横风向风荷载(简称CWL)过于保守而成为结构抗风设计的制约因素。针对高度为200m左右的矩形平面超高层建筑,采用高频底座测力天平技术,在B、C两类地貌中对7种深宽比的超高层建筑的CWL特性进行了风洞试验研究,分析了深宽比、湍流度、结构周期和阻尼比对CWL的影响,并与荷载规范结果比较。结果表明:当D/B在0.5~2的范围内时,风洞试验得到的CWL与荷载规范结果较吻合,当D/B≥2时,荷载规范结果不同程度高于风洞试验结果,最大相对误差可达38.9%;多数情况B类地貌下的CWL要高于C类地貌,且两者相差可达42.75%,C类地貌的CWL对D/B的敏感度要明显弱于B类地貌;结构模态阻尼比对CWL有很大的影响,采用2%阻尼比计算得到的最大CWL会比5%阻尼比的计算结果高出78.76%。

南京大胜关长江大桥地铁列车运行气动性能研究

以南京大胜关长江大桥地铁搭载段为研究背景,通过风洞试验,探究不同风攻角、列车位置及附属设施状态下地铁列车气动力系数变化规律,进而揭示地铁列车气动特性对列车运行稳定性影响的规律。研究结果表明:风攻角对双线在轨列车稳定性影响更大;当桥梁无附属设施,风攻角的增大不利于迎风侧列车稳定性,双线在轨列车比单线在轨列车更稳定;当桥梁有附属设施,且列车位于边跨时,风攻角越大迎风侧列车越稳定,而背风侧列车则相反,当列车在中跨运行时,列车侧向力及侧向倾覆力矩系数大于边跨,而升力系数小于边跨,表明桥梁桁架改善了列车的抗倾覆性能;桥上增加附属设施后,列车的侧向力及侧向倾覆力矩系数降低,表明附属设施有一定的格挡作用。

侧风作用下高速磁浮列车-轨道梁耦合动力响应分析

侧风作用是影响高速磁浮系统动力设计的重要因素之一。为获得侧风作用下高速磁浮列车-轨道梁耦合振动响应,首先,建立了风-静悬磁浮列车-轨道梁(WSMG)和风-移动磁浮列车-轨道梁(WMMG)空间耦合分析模型。然后,通过风洞试验对磁浮车辆的气动特性进行测试。磁浮列车的控制系统采用比例-积分-微分(PID)控制器和加速度反馈相结合的比例-积分-微分-加速度(PIDA)控制算法进行调控。最后,分析了平均风、脉动风、风速和车速对磁浮系统动力响应的影响。结果表明:PIDA控制算法可以消除侧风引起的磁浮间隙稳态误差,并减小大约40%的车体横向位移;均匀风只改变列车的平衡位置,脉动风和轨道不平整是引起磁浮列车-轨道系统振动的主要原因;风速对车辆的横向振动的影响更为敏感,当风速超过30 m/s时,高速磁浮列车应停止运行。

横风作用下列车动力车运行安全性与动态特性试验研究

强风作用会对列车运行安全性与稳定性产生重要影响作用,文中通过深入分析某动力集中动车组在大风环境下的动力学试验数据,明确了横风作用下列车动力车的主要运动形态,研究了横风风压、线路线况、列车速度等对列车运行安全性与动态特性的影响规律。结果表明:横风作用主要引起列车动力车车体侧滚和横摆运动,同时伴有一定摇头运动,使其脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力等安全性指标和车体横向振动加速度、横向平稳性指标数值明显增大;不同线路工况时横风对轮轨动力响应的影响存在差异,迎风曲线上车体向外轨的贴靠使轮轨横向力增大,背风曲线上横风阻止车体向内轨侧贴靠,使轮轨横向力有所减小;横风作用下脱轨系数、轮轴横向力、车体横向振动加速度会随着列车速度提高而增大,而轮重减载率和车体侧滚角基本不受车速影响。

侧风对冷却塔通风性能影响的现场试验

对某电厂一座135 MW机组的自然通风湿式冷却塔进行现场测试。通过对进风口周围流场的测试,分析侧风对冷却塔周向进风的影响。提出以进风偏斜角α来衡量进风偏斜度,以进风均匀系数ψ来量化进风恶化程度。通过计算分析侧风对冷却塔通风量、通风阻力系数和冷却数的影响,完成对冷却塔通风性能及其与热力性能关系的全面评价。最后将其与数值模拟结果进行对比分析。结果表明:自然风主要恶化了塔侧向的进风,大风下侧后方出现穿堂风;背风侧进风远小于迎风侧,但进风偏斜度较低;侧风风速增大使得各处除迎风侧外进风偏斜度增加,周向进风均匀度降低,相对于抽力对气流的径向加速作用,侧风的横向干扰作用逐渐贴近进风口,通风阻力系数增大,通风量降低,通风性能恶化,热力性能降低;由于穿堂风参与了雨区的传热传质,使得计算通风量增加,塔的热力性能有一定改善。

十字隔墙对湿式冷却塔性能影响的实验研究

基于热态模型实验,研究了侧风工况下不同形状十字隔墙在不同安装角度下对自然通风逆流湿式冷却塔热力性能的影响。结果表明:存在一临界风速值,当侧风速度低于此值时,冷却塔性能随风速增大而逐渐降低;当风速高于此值时,冷却性能又随风速增大而逐渐恢复。当循环水量和水温增大时,临界风速也会随之增大。安装十字隔墙可以消除侧风对冷却塔性能的不利影响。低风速下,实型和孔隙十字隔墙均可改善冷却塔进风,提高冷却塔热力性能,实型墙效果更好;高风速下,孔隙十字隔墙效果反而优于实型墙。在所研究风速范围内,安装角度为0时十字隔墙的效果要好于45时的效果;在风速较高时,45十字隔墙甚至会降低冷却塔的性能。

横风作用下钢桁梁桥上列车气动导纳的风洞试验研究

大跨度钢桁梁悬索桥对风作用敏感,桥上列车周围的流场也会受到较大影响,横风作用下考虑钢桁梁影响的列车气动力的研究十分必要。以某大跨度钢桁梁悬索桥为例,在风洞试验室建立两种大气紊流场,基于测压法分析静止于钢桁梁上列车气动力,得到频域内列车的等效气动导纳以及抖振力的跨向相关性,且考虑了攻角、紊流场、列车位置等影响因素,也指出了进一步的研究方向,为类似桥梁上列车运行的舒适性研究提供了一定的指导。

横风作用下悬挂单轨车桥系统动力响应研究

针对悬挂单轨车桥系统这一特殊的车辆−桥梁组合形式受风荷载影响突出的问题,首先,通过风洞试验研究横风作用下悬挂单轨车桥系统的气动特性,并由此得到车桥系统所受的风荷载时程。然后,采用SIMPACK与ANSYS联合仿真的方式,分析横风作用下悬挂单轨车桥系统的动力响应,揭示悬挂单轨车辆和桥梁的动力响应随车速和横风风速的变化规律。最后,以行车安全性和舒适性作为评判标准,给出横风作用下悬挂单轨车桥系统安全运营的临界风速。研究结果表明:在横风作用下,悬挂单轨车桥系统受到的气动力中阻力作用是影响车辆运行的主要因素,实际运行时,需加强车辆和桥梁的横向稳定性;车辆速度增大导致车辆和桥梁的动力响应均有一定程度增大,但总体满足行车安全和平稳性要求;随着横风风速增大,车辆和桥梁的动力响应大幅度增加,尤其以横向动力响应增幅更加显著;当风速达到20 m/s时,车辆动力响应超过限值要求,建议届时采取限速或停运措施。

侧风影响下车辆侧翻倾向性虚拟试验研究

侧风影响下的车辆侧翻事故虽然所占比例不大,但伤亡率较高,文中以某轿车和某客车车型为基础,运用机械系统动力学软件ADAMS/Car建立了相应的仿真模型并进行虚拟试验。通过侧风影响下车辆侧翻倾向性虚拟试验分析了两种车型在不同车速和风速条件下的侧向加速度和方向盘转角,给出了各条件组合下车辆侧向加速度的峰值,探讨了两种车型的侧翻倾向性。通过双因素方差分析揭示了风速和车速对两种车型侧翻的影响,表明这两种因素对不同车型的侧翻影响程度不同,对大客车而言,两种因素对侧翻倾向性有同等程度的影响,而对轿车来说,车速的影响程度高于风速的影响。该研究结果为侧风环境中行车安全措施的制定提供理论依据。

侧风作用下移动车辆模型气动特性的试验方法

基于同步带传动和不同的轨道形式,提出了3套缩尺比为1/20的移动车辆横向气动特性试验方案。其中,方案一中的轨道为循环式,可实现较高的车速;方案二采用了直线滑轨代替方案一中循环轨道;方案三采用了集成同步带和滑动轨道的直线模组。分别从测试方法、车辆运行平稳性、成本等方面分析了3套试验方案的优缺点。最后,针对方案三,进行了风洞试验,测试了桥上移动车辆模型的气动特性。结果表明:采用方案三测试的车辆气动特性有较好的平稳性和可重复性。

动车组横风环境下的交会气动效应

采用三维、可压缩、非定常N-S方程的数值计算方法,对8辆编组的动车组在20 m/s横风下以250 km/h速度交会时列车表面瞬变压力和车体所受气动力及力矩进行分析,并采用间接验证方法,将风洞实验、动模型实验得到的结果分别与数值模拟结果进行对比。研究结果表明:间接验证方法下所得气动效应实验结果和数值模拟结果变化规律一致,压力幅值相对误差在5%以内;动车组横风下交会时,车体头、尾处测点压力差别较大,中部位于同侧测点压力差异较小,同一高度、不同纵向测点的压力变化波形及幅值基本一致,车体顶部测点压力始终为负;对于车体所受横向气动力及倾覆力矩,头车比中间车和尾车的大,背风车比迎风车的大;随着横风风速的增加,列车所受横向气动力及倾覆力矩峰值也迅速增加,严重威胁着动车组的安全运行。

横风作用下移动点湍流脉动特性风洞试验研究

为了研究移动点历经的湍流脉动风特性,设计了一套能够实现测量探针以均匀速度在流场中移动的试验系统,测量了不同风速-车速比(风速与移动点速度的比值)下的湍流脉动特性,提出了半椭圆湍流积分尺度模型,分析了与静止点观测结果相比的湍流脉动风速谱及能谱的变化。研究结果表明,移动点测得的湍流脉动特性与静止点测量结果存在明显的不同。对于某一固定来流风速,随着移动点速度的增加,纵向湍流积分尺度减小,相比Balzer及Cooper积分尺度模型,半椭圆模型的描述更加准确。基于半椭圆模型的脉动速度谱具有较高的精度,移动点历经的湍流谱能量因运动而重新分布,并表现出明显的Doppler效应。随着观测点移动速度的增加,脉动速度谱整体向更高的频率偏移,高频区域中的谱值增大,低频区域中的谱值减小,且能量向更高的波数区传递。

高速汽车侧风稳定性的虚拟试验研究

通过对侧风稳定性试验研究,探求一种有效的虚拟试验方法,为汽车设计时提高侧风作用下高速行驶汽车的操纵稳定性提供理论依据。利用ADAMS软件建立了相应的动力学模型,对侧向气动力进行了较好的模拟,首次计及整个过程中风压中心的漂移,得到与试验数据趋于吻合的仿真结果。据仿真结果,提出了改善汽车侧风稳定性的措施。

民用飞机大侧风验证试飞方法研究

抗侧风作为飞机飞行的一项重要能力,需要通过试飞的方法进行验证,以表明飞机的抗侧风能力满足民用飞机适航规章条款的要求。主要从大侧风的试飞方法、试飞技术、试飞结果处理方法、适航验证等方面进行研究,提供民用飞机的大侧风验证试飞方法和适航符合性方法研究。

基于GPS的侧风影响下的空速校准方法研究

对试飞中遇到侧风对空速校准结果影响的情况提出2种新方法。对基于GPS的正反航向稳定平飞法进行空速校准作出改进,采用惯性导航给出的航向角和GPS得到的轨迹角来消除正侧风分量的影响,试飞结果证明该方法合理有效。

风障对桥上高速列车气动特性影响的风洞试验

为考虑侧风作用下风障对桥上高速列车气动特性的影响,以高速列车与双线简支箱梁桥为原型,自主研制了缩尺比为1:20的风障-车-桥模型风洞试验模型装置。测试高速列车的头车、中车及尾车各自的气动力。分析风速、列车位于桥梁的横向位置、不同风障高度与透风率、风偏角对高速列车气动系数的影响,最后以静力轮重减载率作为风障防风效果评价指标,给出风障气动选型参数建议值。研究结果表明:雷诺数对车-桥系统的气动性能影响有限;桥梁上设置风障可明显减小列车所受气动力;列车位于迎风侧线路时运行时所受气动荷载较大;随着风障高度的增大,列车气动力系数减小;当风障增加到某一高度后列车气动系数基本不再随风障高度变化,但随着透风率增大而增大;当风偏角小于等于20°时,高度为4 m,透风率为0%风障的挡风效果较好,而当风偏角大于20°时,高度为4 m,透风率为30%风障的挡风效果较优。研究结论可为实际工程中风障气动选型提供参考。