一、COMPUTATION OF UNSTEADY AERODYNAMIC FORCES ON WINGS WITH NAVIER-STOCKS EQUATIONS(论文文献综述)
雷帅[1](2021)在《大展弦比复合材料机翼几何非线性静气动弹性研究》文中研究指明高空长航时无人机能够长期执行侦察、监视等重要军用民用任务,对国家经济的繁荣昌盛和国防的现代化建设起着至关重要的作用。为了降低能源消耗、提高气动特性,这种无人机通常采用大展弦比布局,轻质复合材料在机翼重要部件中的使用占比也越来越高,这使得机翼结构的柔性越来越大。这种采用大展弦比结构布局的复合材料机翼受到气动力作用极易产生大的扭转角和变形,从而导致严重的几何非线性气动弹性问题,对飞行器操纵性能和安全性能产生严重影响。几何非线性使得经典的线性静气动弹性分析方法失效。机翼的扭转变形即使发生微小的改变也会对无人机的气动特性产生较大影响。因此,基于流固耦合技术,考虑到大变形带来的几何非线性问题,研究精确高效的静气动弹性求解方法,深入分析几何非线性,复合材料铺层角度、厚度等因素对大展弦比机翼静气动弹性的影响,对高空长航时大展弦比无人机结构设计意义重大。本文主要完成以下几个方面的研究工作:(1)基于松耦合双向CFD/CSD耦合方法,建立准确的几何非线性静气动弹性模拟方法,以标模HIRENASD机翼为研究对象,验证了该数值计算方法的可靠性。(2)建立准确的大展弦比机翼结构模型,对大柔性大展弦比机翼的几何非线性静气动弹性进行数值模拟,研究了几何非线性对大展弦比机翼静气动弹性的影响。(3)建立等厚度大展弦比复合材料机翼模型,对不同迎角下复合材料机翼的结构特性、纵向气动特性及稳定性进行研究,并与等厚度的铝合金材料机翼进行比较。(4)以机翼结构变形小于半翼展的15%为优化目标,以机翼的金属结构部分满足强度条件,机翼的复合材料结构部分满足Tsai-Wu失效条件作为约束条件,采用Screening方法对机翼复合材料结构部分的铺层角度进行优化,然后对优化后机翼的非线性静气动弹性进行模拟仿真,分析了复合材料机翼铺层角度优化后对该机翼纵向气动特性以及稳定性的影响。
朱增钢[2](2021)在《扑翼飞行器非定常气动理论分析及应用》文中研究表明扑翼飞行器是模仿鸟类或昆虫的运动特性及飞行机理而设计的一种无人飞行器。与传统的固定翼飞行器、旋翼飞行器不同,扑翼飞行器在垂直起降、飞行效率与机动性等方面具有巨大优势。近年来,关于扑翼的非定常气动特性的研究繁多,扑翼高升力的机理逐渐明确;出现了许多计算扑翼非定常气动特性的方法。基于上述背景,本文对非定常气动力计算方法的研究现状做出了综合分析,对计算流体力学法(CFD)与三维非定常气动力计算法(UAM)进行了详细推导,并利用上述两种方法对仿鸟扑翼飞行器降落策略与仿蜂鸟扑翼飞行器运动模式这两个实际问题进行了深度探究。本文的具体研究内容如下:(1)对国内外扑翼气动机理、空气动力学、气动理论的研究现状做出了综合分析,比较了西奥多森公式法、准定常法、CFD法与UAM法四种非定常气动计算方法各自的优缺点。(2)根据中、小型飞鸟的扑翼飞行规律,设计了一款以单驱动源实现“拍动-扭转”两自由度运动的扑翼机构,并制造了一款实验样机。该样机整机重量为310g,单翼翼展为50cm,总翼展达到了 112cm,“单曲柄三摇杆机构”中曲柄长度为31.8mm,主连杆长度为185mm,副连杆长度为183mm,主翼梁杆为500mm,机翼最大弦长达到20cm。(3)搭建了一整套运动测量与气动力测量的实验平台。对机翼的运动姿态数据进行了采集,并测量了样机在该运动模式下的实验气动力数据。之后,使用三维UAM与CFD模型,分别计算了该扑翼机构在实验测得的运动数据下的理论气动力。结果表明,三种方法得到的气动力曲线吻合良好,特别是UAM和CFD方法之间的平均升力仅有1.3%的差异,验证了 UAM模型的可靠性。(4)对该机构样机的降落策略展开了研究。基于三维UAM模型,对飞行器机翼扭转角变化对气动力的影响进行了参数化研究。研究的目的是寻找一个最佳的机翼运动组合的俯仰和拍动角,以最大的升力和阻力实现短距安全降落。研究发现,通过上冲程的俯仰角的快速减小,可以提高扑翼的运动学特性,从而获得最大的升力。对于该款飞行器模型,随着着陆期间向前飞行速度的降低,可以通过逐渐增加机翼的俯仰角至75°,以获得最大升力。同时,俯仰角增大还会导致阻力增加,从而使飞机运动减速。(5)提出了一种“平行拍动”新型仿蜂鸟扑翼拍打模式。使用CFD法对“平行拍动”与传统“扇形拍动”扑翼拍打模式的气动力及特性进行了计算和分析,对比了两种拍动模式的拍动行程和扭转幅度对气动升力与效率的影响。研究结果表明,两种模式的气动效率随拍动行程及扭转幅度增大而明显提高,在相对小行程和大扭转幅度的模式下,平形拍动可产生更高的气动性能。(6)基于“平行拍动”模式,对扑翼开缝及缝隙宽度对气动升力的影响进行了分析,对仿生扑翼的高效驱动模式及缝隙对附着涡延迟脱落的增升机理深入研究。结果表明,相较于无缝翼,合适的开缝扑翼可在保持气动效率不变的条件下大幅提高气动升力(>20%)。
李玉帅[3](2020)在《扑翼飞行器数值模拟研究与平台设计》文中进行了进一步梳理扑翼飞行是自然选择的结果,在微小型飞行器应用方面有着巨大潜力。木文旨在构建一个通用型扑翼飞行器虚拟样机平台。该虚拟样机平台是分析及模拟飞行器性能的虚拟环境,其在飞行器研发过程中起着重要作用:缩短扑翼飞行器研制周期,优化扑翼飞行器动力学性能和气动性能,初步验证飞行器控制算法的有效性。基于以上要求,本文所做工作包括:基于实验室前期所设计的一种高效扑翼飞行器驱动机构——单一驱动源带动机翼拍打和扭转的结构,在ADAMS中搭建了虚拟样机模型,作为通用虚拟样机平台的一个实例进行仿真分析;建立了 Python软件和ADAMS软件之间的通讯,以用于控制指令的发送,包括:基本运行参数设置、扑翼飞行器运动参数设置、扑翼飞行器运动信息获取等指令操作;基于ADAMS样条函数,实现了虚拟样机机翼、尾翼气动力实时加载,以模拟样机在流场中的运动。基于虚拟样机在ADAMS中机翼运动数据,完成了运动模式建模,包括:机翼扭转角、拍打角以及拍打运动;建立了两种机翼气动力计算模型,一种是基于UAM模型,用于精确计算样机在运动过程中所受气动力,耗时较长,另一种基于Theodorsen和Garrick理论对样机所受气动力进行快速计算;建立了尾翼气动力计算模型以及惯性力计算模型,为涡流结构演化及气动力变化的分析奠定了理论基础。分析了扑翼飞行器在静止状态和飞行状态下机翼表面前缘涡与后缘涡结构演化情况。静止状态下涡流在机翼上下表面分布杂乱,而飞行状态下涡流在机翼上下表面分布有序规整。以固定速度飞行多个周期,观察涡流结构演化,呈现出周期性特点,并且相邻两个脱落涡的间距相同。在同一周期内分析了飞行器相同部位静止状态下和飞行状态下涡流结构演化和对应气动力的变化,气动力与涡流分布表现出一致性,同时在气动力变化和涡流结构演化方面进行了对比分析(9米每秒,10赫兹),飞行器静止时,机翼所受平均升力为-0.969牛顿,飞行器静止时机翼所受推力为0.2501牛顿,飞行时机翼所受平均升力为4.3842牛顿,飞行时机翼所受推力为1.893牛顿,飞行状态下表现出来的气动力要明显大于静止状态下的气动力,飞行器飞行时涡流演化速度更快。基于飞行器在飞行过程中受到周期惯性力影响,扰动飞行器正常姿态,使得飞行器不能进行稳定控制这一问题,设计了飞行器姿态扰动率方法,以便应用到虚拟样机平台中,为实现样机闭环仿真奠定基础。基于运动信号捕捉系统以及机载惯性测量单元,获取俯仰姿态数据进行了验证,结果表明本文设计的方法能够有效的滤除由周期性惯性力带来的姿态扰动。
李星[4](2020)在《MIMO几何非线性机翼气动伺服弹性分析与试验》文中研究表明几何非线性效应下的气动伺服弹性系统的分析是目前对于飞行器气动弹性研究的难点与热点。随着当下飞行器复合材料应用越来越多,且为追求高升阻比,机翼越来越向大展弦比机翼发展,这样机翼的气动弹性问题也越来越严重,甚至会引发几何非线性问题。目前,科研工作者针对几何非线性气动弹性问题的研究已做了很多工作,也解决了大量大量问题。但是目前对于在低速情况下因舵面偏转产生的气动力造成机翼几何非线性效应的问题研究的人尚且不多,本文针对此类问题做了如下研究。首先,面对低速风洞,设计两舵面的大柔性大展弦比机翼,并完成有限元建模。将几何非线性问题拆解为通过气动弹性静力学求解模型非线性平衡位置,并在非线性位置对求解的问题做线化处理。通过改变攻角,舵面偏角与风速,确定几何非线性分析的三维元模型。并做开环稳定性颤振分析,确定颤振速度。其次对三维元模型做非定常气动力建模计算,对频域气动力做气动力有理函数拟合,以方便建立时域控制系统模型,同时完成了增稳的控制回路设计,并完成了对机翼的单输入单输出系统建模工作,建立频域的控制系统模型并通过频域稳定性判据做稳定性分析。再次,对机翼多输入多输出控制系统模型进行稳定性分析,对机翼模型的非定常气动力结果进行有理函数拟合,将虚轴上的气动力延拓到整个复数域,并从结构动力学方程出发推导建立时域控制系统分析模型,设计闭环反馈回路。后续对模型运用最小奇异值理论,得到模型的时域稳定性结果。最后,根据有限元设计制作风洞吹风模型,并对风洞模型做地面试验。因疫情影响,本文无法做后续风洞试验,会在以后继续学习阶段补上后续试验。本文完成了一个气动伺服弹性机翼系统的分析平台,后续可在此基础上对此模型做阵风载荷减缓与几何非线性颤振抑制。
全景阁[5](2019)在《分离流中若干气动弹性问题研究》文中研究说明分离流动是航空航天、桥梁船舶、生物化工等众多领域经常会遇见的一种流动现象。分离流的流动结构很复杂,流动具有强烈的非定常、非线性特性,给结构强度和稳定性带来了很大的影响,引起许多复杂的气动弹性问题。现有的针对分离流动的气动弹性研究工作不够深入,对相关气动弹性问题诱导机理的理解还存在不足,缺乏合理的解释。本文针对航空航天领域典型的分离流动,采用非定常气动力与结构动力学相耦合的时域仿真方法,以及基于气动力降阶技术的气动弹性分析方法,开展分离流中的气动弹性问题研究,并对相关复杂气动弹性问题的诱发机理进行分析研究。主要涉及低速大迎角失速流动、大迎角旋涡脱落流动、跨声速激波抖振流动与大迎角三角翼分离旋涡流动。论文主要研究内容如下:(1)研究了振荡翼型大迎角旋涡流动中的锁频现象,开展了锁频特性的研究。针对大迎角状态下的旋涡脱落流动,采用基于雷诺平均的Navier-Stokes方程对NACA0012翼型俯仰方向的简谐运动进行了数值模拟,研究不同形式的结构振动对分离旋涡流动特性的影响。研究中发现了流动的锁频现象,表现为流动特征频率不再是旋涡脱落频率,而是与翼型振荡频率保持一致。锁频存在的范围区间受翼型振荡频率和幅值的影响,呈V形的漏斗状,表现出明显的不对称性。由于旋涡流动的强非线性特性,翼型振荡相位对流动特性也有一定的影响,尤其是处于过渡状态的流动,容易受到振荡相位的影响,流动特性转变为锁频状态。(2)建立了基于气动力降阶技术的翼型大迎角失速颤振气动弹性分析方法,揭示了大迎角失速颤振的诱发机理。针对大迎角失速后、旋涡脱落前的分离流动,使用基于系统辨识的气动力降阶模型,耦合结构运动方程,在状态空间内建立了基于ROM技术的气动弹性分析方法。考虑翼型俯仰自由度的弹性效应,开展了翼型大迎角失速颤振的稳定性分析及诱发机理研究。研究发现,大迎角失速后,流场存在潜在的不稳定流动特征模态。越接近旋涡脱落的临界迎角,流动潜在的不稳定性越强烈,弹性翼型越容易发生气动弹性失稳。翼型大迎角失速颤振的失稳特性中存在模态跃迁现象,流动模态和结构模态相互耦合相互竞争导致系统在不同状态表现出不同的失稳特征。在较大结构固有频率或较高质量比时表现为结构模态失稳,而在较小结构固有频率或较低质量比时则表现为流动模态失稳。大迎角失速颤振的本质是不稳定流动模态和结构模态相互耦合引起的单自由度颤振。(3)通过CFD/CSD耦合方法对跨声速复杂气动弹性现象进行了深入分析,重点针对弹性翼型跨声速抖振流动中出现的锁频现象,开展深入细致的锁频特性研究,以及锁频诱发机理的探索研究。对传统共振诱导锁频的学说提出了质疑,并提出了模态耦合颤振诱发锁频的新观点。研究发现,本文的锁频存在区间已远远偏离典型共振区,不再满足频率接近条件,而且翼型俯仰位移的幅值也没有在频率共振点处达到最大值。而质量比和结构阻尼对锁频区间的影响,也超出了传统共振理论所能解释的范围。本文的锁频现象已无法再用传统共振诱导锁频的机理来解释。在本文的研究结果中发现,远离典型共振区时,翼型的力系数响应曲线呈现流动模态和结构模态相互竞争的局面,系统响应经历强迫振动到自激振动的转变,最终导致结构模态失稳,诱发锁频。由此可见,跨声速抖振中的锁频现象并不是由共振引起的,而是由不稳定流动模态与结构模态相互耦合诱发的单自由度颤振引起的。(4)使用CFD/CSD数值方法系统地研究了三角翼分离涡破裂前和分离涡破裂后的复杂气动弹性问题。为了缓解计算精度和计算效率的矛盾,分别采用不同的气动力求解方法对三角翼分离涡破裂前和分离涡破裂后的气动弹性问题进行研究。采用Euler方法求解分离涡破裂前的气动力,而采用DES方法求解分离涡破后的非定常气动力,然后耦合结构运动方程,进行气动弹性问题研究。研究发现,三角翼主体分离涡破裂前的流动表现出强烈的无黏特性,其气动弹性问题表现为单纯的颤振问题,主要由结构一二阶模态的耦合诱发颤振失稳。而分离涡破裂后的流动具有强烈的气动力非线性,相应的气动弹性问题比较复杂,既存在颤振失稳特性,也存在抖振特性,呈现颤振与抖振博弈的现象。
杨起[6](2018)在《三角翼摇滚主动控制的数值模拟研究》文中进行了进一步梳理现代战斗机大攻角飞行时,气动力呈现强烈的非线性和非定常性,降低了飞行器纵向和横向不稳定性。由此,产生了包括机翼摇滚(wing rock)在内的多种飞行器动态稳定性问题。飞行器摇滚时,气动、运动和控制进一步耦合,影响战斗机作战效能,甚至威胁飞行器机动飞行的安全,限制了控制系统的性能。目前,国内外大量文献针对飞行器摇滚运动的开展了数值模拟研究和实验研究,形成了对摇滚现象和物理机理的基本认识。然而,涉及三角翼摇滚控制的文献较少,且多集中于对研究相关控制方法,缺乏对气动、运动和控制耦合的足够关注。本文针对三角翼摇滚问题,采用结构动态网格变形技术实现控制面的偏转,通过耦合求解N-S方程、刚体单自由度滚转动力学方程和经典控制律,实现对三角翼摇滚主动控制过程的数值模拟,开展三角翼摇滚与控制多学科耦合的动态特性数值模拟和分析,为实现三角翼摇滚控制提供支撑。首先,对于含运动边界的非定常问题,介绍了任意拉格朗日坐标下的流体运动方程,并引入“几何守恒律”对离散的方程进行修正,并建立单自由度滚转运动模型。其次,基于结构化动态网格技术,对超限插值(TFI)方法、径向基函数(RBF)方法和RBF_TFI方法开展了研究,建立相关网格运动程序。随后通过对三角翼自由滚转和NACA0012翼型强迫振荡的数值模拟验证了程序对动态问题和含动边界的非定常问题的计算能力。在此基础上,通过数值模拟分析了80度后掠带后缘舵三角翼的运动特性。耦合经典控制方法,开展三角翼摇滚主动控制方法的数值模拟研究,分析比较比例、比例微分控制器对三角翼摇滚运动的控制效果,为三角翼摇滚运动的多学科控制方法研究建立基础。
杨体浩[7](2018)在《基于梯度的气动/结构多学科优化方法及应用研究》文中研究表明轻量化的大展弦比机翼技术,因具有低诱导阻力的技术特性,成为先进民用客机以及高空长航时无人机最为关切的技术之一。相比于常规飞行器,轻量化设计的大展弦比机翼具有更为突出的气动弹性问题,如静气动弹性变形以及颤振等。如何综合考虑静气动弹性变形以及颤振进行气动、结构多学科设计,成为能否充分挖掘其技术潜力的关键问题。静气动弹性以及颤振特性的引入,对发展高效、鲁棒的,具有处理大规模设计变量能力的多学科优化设计方法,提出了极大的挑战。气动、结构以及气动弹性学科间的紧耦合特征,促使需要从多学科耦合的角度揭示轻量化大展弦比机翼的设计原理和特点。针对以上问题,本文借助伴随理论以及改进的Chebyshev谱方法,采用高、低精度分析模型搭配的方式,发展了可综合考虑静气动弹性变形以及线性颤振特性影响的,基于梯度的气动/结构多学科优化设计方法。针对典型的大展弦比柔性机翼,利用建立的优化设计方法开展了,在静气动弹性变形以及线性颤振特性影响下的气动减阻,以及结构质量和刚度分布设计特点的探索性研究。本文的主要研究工作和解决的问题如下:1、针对静力学问题,采用高可信度求解器和基于梯度的优化算法,构建了具有处理大规模设计变量能力的气动/结构多学科优化设计系统。借助基于刚性连接的CFD/CSD插值方法,进行基于RANS方程的CFD求解器与基于板壳有限单元的结构求解器TACS之间气动载荷以及位移变形信息的数据传递,通过IDW动网格实现气动网格的自动更新,建立了高可信度的静气动弹性分析方法。以此为基础,借助伴随理论,推导了气动/结构伴随方程,并引入基于B样条的FFD参数化方法和SNOPT梯度优化器,搭建了可考虑静气动弹性变形影响的基于梯度的气动/结构多学科优化设计系统。2、发展了一种基于改进的Chebyshev谱方法的颤振计算新方法。其目的在于,为与伴随理论高效结合,发展颤振目标函数对设计变量梯度的高效计算方法奠定理论基础。在对Chebyshev谱方法基本数学性质研究的基础上,引入投影变换算子,以重构Chebyshev控制点分布形式的方式提高了Chebyshev谱方法的计算精度。同时,针对Chebyshev算子提出“二次变换”的改进方法,消除了Chebyshev谱方法计算精度对时间离散步长的依赖性。在此基础上,针对低亚音速速域内的大展弦比机翼,将改进的Chebyshev谱方法与基于非定常面元法和梁有限元结构动力学模型的低精度颤振计算模型结合,建立了一种颤振计算新方法。该方法将颤振时域计算问题,转化为在有限个时间节点上耦合的类似于定常问题处理方式的形式进行求解。针对Goland和HALE机翼的算例验证了建立的颤振计算方法的精度和鲁棒性。3、提出了高效的颤振目标函数对结构设计变量梯度的计算方法,并与针对静力学问题的气动/结构多学科优化方法结合,建立了可综合考虑静气动弹性变形以及线性颤振特性影响的,基于梯度的气动/结构多学科优化设计方法。选取给定条件下的阻尼率作为描述系统颤振特性的度量。借助基于改进的Chebyshev谱方法的颤振计算新方法,只需在有限个选取的时间节点上构造、求解伴随方程,即可获得系统响应阻尼率对结构设计变量的梯度。进行一次阻尼率对结构设计变量梯度的计算时,通过将传统非定常时域伴随方法需要的成百、上千次伴随方程的构造、求解次数减少为一次,显着地提高颤振目标函数梯度的计算效率。针对HALE机翼和Goland机翼的测试算例验证了颤振目标函数梯度计算的正确性。以经典的工程梁理论作为基于板壳单元的复杂有限元模型和基于梁单元的简单有限元模型之间的转换桥梁,将颤振引入到针对静力学问题的气动/结构多学科优化设计系统中。采用高、低精度分析模型搭配的方式,建立了可同时考虑静气动弹性变形和线性颤振特性影响的,基于梯度的气动/结构多学科优化设计方法体系。4、以“太阳神”这类具有超大展弦比、大柔性机翼的飞行器为研究对象,从多学科的角度研究了机翼几何扭转和分布式动力装置的分布对诱导阻力以及机翼线性颤振特性的影响作用,揭示了针对大展弦比柔性机翼的诱导阻力减阻原理,并对传统的诱导阻力估算公式进行了修正。研究表明,除了改变机翼环量分布使其更贴近理想的椭圆形环量分布外,还可借助机翼几何扭转角的外洗和动力装置的展向外移,抑制机翼产生过大的弯曲变形,避免形成较大的于升力无益的侧力,提高机翼的实际承载效率,以此达到进一步降低诱导阻力的目的。设计结果显示,最大可获得14.5%的诱导阻力减阻收益。受静气动弹性变形的影响,柔性机翼的诱导阻力不再与升力系数的平方成线性关系,而是和垂直于翼面的气动载荷系数的平方与机翼的实际展弦比的比值,近似成线性关系。在不增加结构重量,改变机翼刚度属性的条件下,合理的动力装置位置分布形式不仅可以减小诱导阻力,还可明显地提高机翼的线性颤振临界速度。设计结果表明,线性颤振临界速度最大提高了12.6%。5、针对“全球鹰”这类典型的高空长航时无人机,以气动外形和结构有限元厚度为设计变量,进行了气动/结构多学科优化设计的探索性研究,讨论了不同目标函数和学科耦合对设计结果的影响。相比于初始构型,气动/结构多学科优化设计构型不仅升阻比提高了4.9%,同时机翼结构重量得到了显着减小。考虑线性颤振特性的影响后,相比于仅仅考虑静气动弹性变形影响的设计结果,以12.3%的结构重量代价获得了11.2%的线性颤振临界速度的提升。设计结果验证了本文建立的基于梯度的气动/结构多学科优化设计方法的适用性。
王景[8](2018)在《基于Stackelberg博弈与连续伴随方法的气动外形优化设计》文中提出气动外形优化设计是一门研究利用数值方法对飞行器气动外形进行优化以提高其气动性能的学科,是飞行器设计中非常重要的组成部分。随着飞行器设计要求的不断增加以及性能目标的不断提高,飞行器气动外形设计方法也需要更精细更高效,因此需要对飞行器气动外形设计的关键技术进行研究和创新,建立高效可靠的气动优化设计。因此,针对现有的气动外形设计方法,从面向实际工程设计要求中存在的一些基础问题出发,本文构建了一套高效可靠通用的基于Stackelberg博弈与连续伴随方法的气动优化设计方法,可对定常单目标、定常多目标、非定常单目标及非定常多目标问题进行优化求解,并利用该方法对工程优化问题的应用进行了研究。论文的主要工作如下:1.基于定常气动优化设计问题的连续伴随方程,将其推广至非定常气动优化设计问题的求解中。通过算例对比了连续伴随方程与有限差分法计算气动函数导数的结果,展示了构建的连续伴随方法求解梯度的可靠性和高效性。2.基于SLSQP序列二次规划法及连续伴随方程构建了基于连续伴随方法的气动外形优化设计系统。在SLSQP序列二次规划中,将有约束的非线性优化问题在每一个迭代步上转化为二次规划子问题。进一步结合CFD流场求解、Hicks-Henne二维参数方法及FFD三维外形参数化方法、网格变形算法及连续伴随方程求解梯度等模块,构建了基于连续伴随方法的单目标气动外形优化设计系统。3.将Stackelberg博弈与连续伴随方法相结合,发展了具备定常单目标、定常多目标、非定常单目标及非定常多目标优化能力的飞行器高保真度气动外形优化方法。在该方法中,将Stackelberg博弈作为顶层优化算法,使其领导者和追随者轮流通过调整其设计变量使其目标函数达到最优。其中每个参与者的优化采用基于连续伴随方法的气动外形优化设计系统。当领导者和追随者的目标函数不同时,该算法可以用于求解多目标优化问题,当其目标函数相同时,该算法还可以用于求解单目标优化问题。4.考虑到在利用基于Stackelberg博弈与连续伴随方法的气动外形优化设计方法对气动优化工程问题进行求解时,往往牵涉到目标函数和设计变量的分配,每个参与者优化过程中迭代次数的取值等问题。本文对上述参数进行了详细研究,以优化结果和优化效率为指标,得到了几个关键参数取值的规律:将优先级较高的目标函数分配给领导者;在对设计变量进行分裂时,应保持每个子集的设计变量所形成的外形的几何连续性;将对目标函数更敏感,影响更大的设计变量分配给领导者;选择适中或偏大的参与者优化周期来快速地获得满意的优化结果。5.应用基于Stackelberg博弈与连续伴随方法的气动外形优化设计方法,基于关键参数的取值规律,开展了定常流动下的工程优化问题的应用研究,分别对RAE2822翼型、ONERA M6机翼和CRM构型进行了定常单目标和定常多目标优化。优化结果表明该系统可以有效并高效地对定常单目标和定常多目标问题进行优化,并展示了关键参数设置原则的有效性。6.基于Stackelberg博弈与连续伴随方法的气动外形优化设计方法开展了非定常流动下的工程优化问题的应用研究。对NACA 64A010翼型进行了非定常单目标和非定常多目标优化,并基于动力学模态分解对优化前后的流场进行了更进一步的分析。展示了该优化方法进行非定常单目标和多目标气动外形优化设计的有效性及高效性。
陈皓[9](2018)在《倾转旋翼机过渡模式下非定常气动力数值模拟》文中认为倾转旋翼机是一种新构型原理飞行器,它结合了直升机垂直起降和螺旋桨飞机高速巡航的优点。过渡模式是其独有而关键的飞行模式,虽然转换时间短,但却是一个极其复杂的非定常过程。深入开展过渡状态下非定常气动特性数值分析有着重要的学术和工程应用价值。本文基于非定常N-S方程,开展过渡模式下气动力数值模拟研究,主要内容包括动网格技术、倾转旋翼机流场数值模拟方法、直升机模式和固定翼飞机模式下气动特性、过渡模式下非定常气动力以及拉力矢量和空气舵组合运动下非定常气动特性等方面。针对复杂多块结构网格,结合反距离插值法(IDW)和无限插值法(TFI)的优点,发展了一种高效的混合动网格技术。首先,选取变形量已知的网格面顶点作为控制点,通过IDW计算得到网格块棱边的变形量;然后采用TFI快速插值出网格面和网格块内部网格点的变形量。针对特大变形问题,提出了一种预估-校正动网格技术。利用多套拓扑结构相同的静态网格插值出随时间变化的全流场计算网格,为动网格生成提供了一种新途径。有限体积法、双时间推进法求解非定常N-S方程。基于雷诺平均N-S方程模拟紊流,选用了SA一方程模型。基于等效桨盘理论模拟旋翼。采用分区网格基本块的并行算法提高计算效率。基于固定网格系统,发展了网格速度法来准确模拟飞行器宏观的加速运动。建立起了同时适用于直升机模式、飞机模式和过渡模式的数值模拟方法和软件平台,通过大量的算例验证了计算精度能满足工程实际应用的要求。揭示了悬停状态下的流动机理,系统地研究了后缘襟翼、克鲁格襟翼、前缘下垂以及扰流板四种被动控制技术在机翼向下载荷减缓中的应用,并详细分析了各参数的影响。计算得到的最优组合构型为:后缘襟翼偏角60°,克鲁格襟翼偏角85°。针对高速巡航的固定翼飞机模式,研究了旋翼动力滑流对全机气动力系数的定量影响,比较了有、无滑流作用下平尾和垂尾的压力分布。数值结果表明:在不同迎角下,滑流都使得全机升力系数增大,且最大升力系数的增量为4.6%。根据低速段机翼失速限制和高速时旋翼可用功率限制确定了倾转走廊,实现了过渡飞行阶段旋翼倾转、飞行器加速、姿态变化和空气舵面偏转并存的复杂非定常运动数值模拟,并与相应的准定常结果进行了定量分析。对过渡模式下相关流动机理进行了研究,总体思路为从二维翼梢剖面到三维组合体构型,从固定倾转角到考虑旋翼倾转运动,从定速平飞倾转到加速运动下倾转,并详细探讨了旋翼倾转模式和倾转时间对气动特性影响,对比分析了直升机模式-飞机模式与飞机模式-直升机模式转换间气动性能的差异。发展了倾转旋翼机气动/控制一体化数值模拟技术,基于CFD开展了过渡飞行阶段拉力矢量和后缘襟翼组合运动下的气动力计算。首先研究了单独后缘襟翼的静、动态气动特性,分析了襟翼偏转角频率和偏转规律对气动性能的影响。然后采用开环控制方法,研究了后缘襟翼在阶跃型、谐波型和线性函数型等不同操纵规律下倾转旋翼机的时域响应品质。本文研究成果能为过渡模式下非定常气动特性和拉力矢量/空气舵组合操纵规律设计等关键问题研究提供先进的数值方法和科学的技术支撑。
高传强[10](2018)在《跨声速复杂气动弹性问题的诱发机理及控制研究》文中研究指明现代飞行器特别是军用飞行器的设计普遍追求高速、高机动和轻量化的要求,遭遇跨声速不稳定分离流的情形越来越多,各种形式的跨声速气动弹性问题日益凸显,并往往成为这类飞行器设计和使用过程中的瓶颈。虽然学术界和工程界已经针对跨声速气动弹性问题开展了诸多研究,但是若干气动弹性现象的诱发机理目前依然没有得到合理的解释,这直接导致了相关问题在型号设计和使用中频繁暴露,严重影响其设计进程和使用寿命。本文从跨声速复杂流动的精细模拟和建模出发,基于CFD/CSD时域仿真和降阶模型方法,建立了适用于气动弹性稳定性问题和响应问题的统一分析方法,并针对跨声速复杂气动弹性问题的诱发机理及其控制进行研究。论文主要研究内容如下:(1)开展了典型跨声速非定常流动的数值模拟,并基于仿真数据和DMD方法开展了抖振流动的失稳特性分析。二维抖振表现为单失稳模式-窄频特性,流动不稳定和非定常特性由激波的弦向振荡主导。三维抖振表现为多失稳模式下的宽频特性,其中的低频响应由激波的弦向和展向运动主导,展向失稳与展长和后掠角等因素引起的三维效应有关;高频响应由翼梢的K-H型失稳引起,但是URANS方法对这种失稳流动模拟能力有限。(2)基于ARX方法和ERA方法,建立了包含全局不稳定跨声速抖振流动在内的非定常气动力降阶模型,两种模型都能较精确地刻画流动的稳定特性随来流攻角和马赫数的变化,预测的抖振边界与CFD计算结果和实验结果吻合较好。耦合结构运动方程,进一步建立了跨声速气动弹性分析模型,该模型可以用于气动弹性稳定性问题和响应问题的统一分析。算例表明,模型分析精度较高,能够满足后续复杂气动弹性问题机理分析的需要。(3)揭示了若干复杂跨声速气动弹性现象的诱发机理。(1)跨声速嗡鸣本质是最不稳定流动模态与结构模态耦合导致的单自由度颤振,其诱发要求流动模态的阻尼足够低,往往在抖振边界附近或低超声速区,同时失稳的结构频率边界由系统的开环极点和零点对应的频率决定。(2)释放结构刚度之后,抖振始发边界会降低,表明传统的通过刚性模型预测抖振边界并进而指导工程设计的分析思路存在一定不足,弹性特征是工程抖振始发边界预测中不可忽略的因素。(3)跨声速抖振流动中的“锁频”现象并不是共振引起的,而是不稳定分离流下诱发的单自由度颤振,系统响应经历强迫振动到自激颤振的转变,这合理的解释了为什么锁频区域可以远离频率重合点,而传统的解耦方法会错误估计危险区间,并低估振动幅值。以上研究加深了对跨声速流动中几种复杂气动弹性问题诱发机理的理解与认识,将对工程实践中如何从根本上解决这些问题提供理论基础和指导。(4)开展了跨声速抖振的主动控制,并提出了一种新颖的被动反馈控制方法。主动控制采用尾缘舵面作为控制机构。首先在CFD仿真框架下,基于谐振舵面的开环控制可以使抖振载荷降低70%左右;采用基于升力系数延迟反馈的闭环控制能够实现抖振的完全抑制,但控制律的获取代价高。其次在降阶模型基础上,建立了升力和力矩系数输出反馈的闭环控制模型,并分别通过极点配置和LQR方法开展控制律设计。研究表明两种方法得到的控制律都能完全抑制抖振载荷,鲁棒性较好,最佳控制参数组合在反共振点处得到。被动反馈控制释放结构俯仰自由度,在适当的结构参数设计基础上,利用流固耦合中的模态吸引效应,通过降低结构模态的稳定性裕量,诱导流动模态特征根从不稳定相空间移动到稳定相空间,进而实现抖振抑制。该过程不需要外界的能量输入,是一种有应用潜力的控制策略。
二、COMPUTATION OF UNSTEADY AERODYNAMIC FORCES ON WINGS WITH NAVIER-STOCKS EQUATIONS(论文开题报告)
(1)论文研究背景及目的
此处内容要求:
首先简单简介论文所研究问题的基本概念和背景,再而简单明了地指出论文所要研究解决的具体问题,并提出你的论文准备的观点或解决方法。
写法范例:
本文主要提出一款精简64位RISC处理器存储管理单元结构并详细分析其设计过程。在该MMU结构中,TLB采用叁个分离的TLB,TLB采用基于内容查找的相联存储器并行查找,支持粗粒度为64KB和细粒度为4KB两种页面大小,采用多级分层页表结构映射地址空间,并详细论述了四级页表转换过程,TLB结构组织等。该MMU结构将作为该处理器存储系统实现的一个重要组成部分。
(2)本文研究方法
调查法:该方法是有目的、有系统的搜集有关研究对象的具体信息。
观察法:用自己的感官和辅助工具直接观察研究对象从而得到有关信息。
实验法:通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果关系。
文献研究法:通过调查文献来获得资料,从而全面的、正确的了解掌握研究方法。
实证研究法:依据现有的科学理论和实践的需要提出设计。
定性分析法:对研究对象进行“质”的方面的研究,这个方法需要计算的数据较少。
定量分析法:通过具体的数字,使人们对研究对象的认识进一步精确化。
跨学科研究法:运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行研究。
功能分析法:这是社会科学用来分析社会现象的一种方法,从某一功能出发研究多个方面的影响。
模拟法:通过创设一个与原型相似的模型来间接研究原型某种特性的一种形容方法。
三、COMPUTATION OF UNSTEADY AERODYNAMIC FORCES ON WINGS WITH NAVIER-STOCKS EQUATIONS(论文提纲范文)
(1)大展弦比复合材料机翼几何非线性静气动弹性研究(论文提纲范文)
摘要 |
Abstract |
第1章 绪论 |
1.1 课题研究的背景 |
1.2 理论意义和应用价值 |
1.3 国内外研究现状及发展趋势 |
1.3.1 国内外非线性气动弹性研究现状 |
1.3.2 国内外复合材料机翼研究现状 |
1.4 本论文主要研究内容 |
第2章 几何非线性静气动弹性求解技术 |
2.1 几何非线性静气动弹性数值模拟方法 |
2.2 流场求解技术 |
2.2.1 Navier-Stokes控制方程 |
2.2.2 湍流模型 |
2.2.3 有限体积空间离散 |
2.2.4 时间推进和离散 |
2.2.5 初始条件和边界条件 |
2.2.6 动网格技术 |
2.3 几何非线性结构求解技术 |
2.4 耦合技术 |
2.5 耦合界面数据传递技术 |
2.6 本章小结 |
第3章 几何非线性对大展弦比机翼静气动弹性的影响 |
3.1 几何非线性静气动弹性数值模拟方法验证 |
3.1.1 HIRENASD机翼验证模型 |
3.1.2 网格划分 |
3.1.3 耦合界面数据传递技术验证 |
3.1.4 动网格方法的有效性进行验证 |
3.1.5 数值计算方法验证 |
3.2 大展弦比机翼几何非线性静气动弹性分析 |
3.2.1 大展弦比机翼建模及网格划分 |
3.2.2 迎角对大展弦比机翼几何非线性静气动弹性变形的影响 |
3.2.3 Mach数对大展弦比机翼几何非线性静气动弹性变形的影响 |
3.2.4 几何非线性静气动弹性变形对纵向气动特性及稳定性的影响 |
3.3 几何非线性对大展弦比机翼静气动弹性的影响 |
3.3.1 几何非线性对大展弦比机翼静气动弹性变形的影响 |
3.3.2 几何非线性对大展弦比机翼纵向气动特性的影响 |
3.4 本章小结 |
第4章 复合材料特性对非线性静气动弹性特性的影响 |
4.1 不同材料大展弦比机翼静气动弹性特性对比分析 |
4.2 大展弦比复合材料机翼铺层角度优化 |
4.2.1 大展弦比复合材料机翼静气动弹性变形 |
4.2.2 铺层角度优化的数学模型 |
4.2.3 优化结果分析 |
4.3 铺层角度对复合材料机翼静气动弹性特性的影响 |
4.3.1 铺层角度对机翼静气动弹性的影响 |
4.3.2 铺层角度对机翼纵向气动特性对比 |
4.4 本章小结 |
结论与展望 |
参考文献 |
攻读硕士学位期间取得的科研成果 |
致谢 |
(2)扑翼飞行器非定常气动理论分析及应用(论文提纲范文)
摘要 |
ABSTRACT |
主要符号说明 |
第一章 绪论 |
1.1 课题研究背景及意义 |
1.2 扑翼空气动力学研究现状 |
1.3 扑翼气动理论研究现状 |
1.4 本文主要研究内容 |
第二章 扑翼飞行器气动理论方法 |
2.1 扑翼气动力计算方法概述 |
2.2 UAM理论模型 |
2.2.1 二维UAM模型 |
2.2.2 三维UAM模型 |
2.3 CFD方法 |
2.4 本章小结 |
第三章 仿鸟扑翼飞行器降落策略研究 |
3.1 引言 |
3.2 仿鸟扑翼飞行器本体及实验设计 |
3.2.1 本体设计 |
3.2.2 实验平台 |
3.2.3 运动数据测量与处理方法 |
3.2.4 气动力测量与处理方法 |
3.2.5 实验数据与结果 |
3.3 仿鸟扑翼飞行器气动分析 |
3.3.1 UAM数值计算方法 |
3.3.2 扑翼三维CFD模型 |
3.3.3 升力结果对比 |
3.3.4 阻力结果对比 |
3.4 仿鸟扑翼飞行器参数化研究与降落分析 |
3.4.1 扭转角对气动力与降落的影响 |
3.4.2 飞行速度对气动力与降落的影响 |
3.5 本章小结 |
第四章 仿蜂鸟扑翼高效运动模式及缝隙效应研究 |
4.1 引言 |
4.2 新型仿蜂鸟扑翼运动模式 |
4.2.1 传统蜂鸟扑翼运动模式气动原理 |
4.2.2 新型仿蜂鸟扑翼运动模式 |
4.3 两种仿蜂鸟扑翼模式的气动分析 |
4.3.1 扇形拍与平行拍的运动参数 |
4.3.2 机翼模型与理论分析方法 |
4.3.3 气动结果对比 |
4.4 仿蜂鸟扑翼缝隙效应研究 |
4.4.1 机翼开缝对气动力的影响 |
4.4.2 缝隙宽度对气动力的影响 |
4.5 本章小结 |
第五章 全文总结和展望 |
5.1 总结 |
5.2 展望 |
参考文献 |
致谢 |
攻读硕士学位期间主要成果 |
学位论文评阅及答辩情况表 |
(3)扑翼飞行器数值模拟研究与平台设计(论文提纲范文)
摘要 |
ABSTRACT |
第一章 绪论 |
1.1 课题研究背景及意义 |
1.2 国内外研究现状 |
1.2.1 扑翼飞行器研制现状 |
1.2.2 扑翼飞行器动力学研究现状 |
1.2.3 现状分析总结 |
1.3 本文主要研究内容 |
第二章 扑翼飞行器虚拟样机模型构建 |
2.1 引言 |
2.2 虚拟样机模型构建及参数设置 |
2.2.1 虚拟样机模型建立 |
2.2.2 虚拟样机通讯建立与运动参数设置 |
2.3 虚拟样机气动力加载 |
2.4 本章小结 |
第三章 扑翼飞行器动力学建模 |
3.1 引言 |
3.2 扑翼飞行器运动学建模 |
3.3 扑翼飞行器气动力计算 |
3.3.1 基于Theodorsen理论和Garrick理论的机翼气动力计算 |
3.3.2 基于UAM理论的机翼气动力计算 |
3.4 尾翼气动力及机体惯性力计算 |
3.5 本章小结 |
第四章 扑翼飞行器涡流结构演化与气动力分析 |
4.1 引言 |
4.2 静止状态下机翼表面涡流结构分析 |
4.2.1 机翼运动参数设置及涡流分析概览 |
4.2.2 机翼表面前缘涡结构分析 |
4.2.3 机翼表面后缘涡结构分析 |
4.3 飞行状态下机翼表面涡流结构分析 |
4.3.1 机翼运动参数设置及涡流分析概览 |
4.3.2 机翼表面前缘涡结构分析 |
4.3.3 机翼表面后缘涡结构分析 |
4.3.4 机翼表面涡结构周期性分析 |
4.4 机翼涡结构与气动力分析 |
4.4.1 静止状态下机翼气动力分析 |
4.4.2 飞行状态下机翼气动力分析 |
4.4.3 静止状态与飞行状态下机翼气动力对比分析 |
4.5 本章小结 |
第五章 扑翼飞行器姿态扰动滤除方法研究 |
5.1 引言 |
5.2 姿态扰动滤除方法设计 |
5.3 扑翼飞行器运动数据采集及结果分析 |
5.4 本章小结 |
第六章 总结和展望 |
6.1 总结 |
6.2 展望 |
参考文献 |
致谢 |
攻读硕士学位期间主要成果 |
学位论文评阅及答辩情况表 |
(4)MIMO几何非线性机翼气动伺服弹性分析与试验(论文提纲范文)
摘要 |
abstract |
1 绪论 |
1.1 研究背景及意义 |
1.2 国内外研究现状 |
1.2.1 气动弹性动力学建模 |
1.2.2 非定常气动力计算 |
1.2.3 气动伺服弹性稳定性分析 |
1.3 本文主要研究内容 |
2 三维元模型建立 |
2.1 引言 |
2.2 模型设计要求 |
2.3 机翼模型设计 |
2.4 非线性有限元模型 |
2.4.1 气动载荷计算 |
2.4.2 静平衡位置求解 |
2.5 开环颤振速度计算 |
2.6 本章小结 |
3 单输入单输出系统气动伺服弹性分析 |
3.1 非定常气动力建模 |
3.2 结构动力学建模 |
3.3 控制系统建模 |
3.4 稳定性分析 |
3.5 仿真计算 |
3.6 本章小结 |
4 多输入多输出系统气动伺服弹性分析 |
4.1 气动力有理函数拟合 |
4.2 时域系统状态方程 |
4.3 稳定性分析 |
4.4 机翼模型稳定性计算 |
4.5 本章小结 |
5 模型制作及地面试验 |
5.1 引言 |
5.2 模型制作 |
5.3 模态试验 |
5.4 本章小结 |
6 总结与展望 |
参考文献 |
攻读硕士学位期间发表学术论文情况 |
致谢 |
(5)分离流中若干气动弹性问题研究(论文提纲范文)
摘要 |
ABSTRACT |
第一章 绪论 |
1.1 航空航天工程中的分离流动 |
1.2 分离流动中的气动弹性问题 |
1.2.1 失速颤振 |
1.2.2 抖振 |
1.2.3 嗡鸣 |
1.3 分离流动中的气动弹性研究现状 |
1.3.1 分离流中的气动弹性研究方法 |
1.3.2 分离流中的气动弹性研究新现象新进展 |
1.4 本文研究目的和主要工作 |
第二章 数值方法 |
2.1 流动控制方程 |
2.2 有限体积法 |
2.3 湍流模型 |
2.3.1 S-A湍流模型 |
2.3.2 SSTk-ω湍流模型 |
2.4 气动弹性力学控制方程 |
2.4.1 气动弹性控制方程 |
2.4.2 二维翼型的气动弹性控制方程 |
2.4.3 气动弹性力学的分析流程 |
2.5 网格变形技术 |
2.5.1 弹簧法 |
2.5.2 径向基函数插值法 |
2.6 算例验证 |
2.6.1 NACA0012翼型跨声速简谐运动算例 |
2.6.2 圆柱绕流算例 |
2.6.3 OAT15A翼型跨声速抖振算例 |
2.6.4 二维翼型跨声速气弹算例 |
2.6.5 三维超声速舵面颤振算例 |
2.7 本章小结 |
第三章 运动翼型大迎角锁频特性研究 |
3.1 引言 |
3.2 分离流动算例验证 |
3.2.1 翼型动态失速算例 |
3.2.2 圆柱绕流锁频算例 |
3.3 大迎角分离流动计算 |
3.4 运动翼型的大迎角锁频特性 |
3.4.1 频率对锁频特性的影响 |
3.4.2 幅值对锁频特性的影响 |
3.4.3 相位对锁频特性的影响 |
3.5 本章小结 |
第四章 弹性翼型大迎角失速颤振研究 |
4.1 引言 |
4.2 基于系统辨识的气动力降阶方法 |
4.2.1 现代系统辨识简介 |
4.2.2 非定常气动力系统辨识 |
4.2.3 基于ARX模型的气动力辨识 |
4.3 基于ROM技术的气动弹性分析方法 |
4.3.1 状态空间模型简介 |
4.3.2 气动力状态空间模型的建立 |
4.3.3 结构状态空间模型的建立 |
4.3.4 气动弹性系统状态空间模型的建立 |
4.4 翼型低速大迎角非定常气动力辨识 |
4.4.1 气动力辨识 |
4.4.2 流动特征模态分析 |
4.5 翼型大迎角失速颤振研究 |
4.5.1 20°迎角时翼型的失速颤振稳定性分析 |
4.5.2 翼型大迎角失速颤振的诱发机理研究 |
4.5.3 不同迎角下的失速颤振稳定性分析 |
4.6 本章小结 |
第五章 跨声速激波抖振锁频特性研究 |
5.1 引言 |
5.2 二维翼型单自由度结构运动方程 |
5.3 刚性翼型的跨声速抖振特性 |
5.4 弹性翼型的跨声速抖振锁频特性 |
5.4.1 跨声速抖振中的锁频现象 |
5.4.2 质量比对锁频特性的影响 |
5.4.3 结构阻尼对锁频特性的影响 |
5.4.4 跨声速抖振锁频机理探讨 |
5.5 本章小结 |
第六章 三角翼大迎角气动弹性研究 |
6.1 引言 |
6.2 验证算例 |
6.3 三角翼大迎角分离流动特性 |
6.3.1 几何模型 |
6.3.2 不同迎角下的分离流动特性 |
6.4 三角翼分离涡破裂前的气动弹性研究 |
6.5 三角翼分离涡破裂后的气动弹性研究 |
6.6 本章小结 |
第七章 工作总结与展望 |
7.1 本文工作总结 |
7.2 本文主要创新点 |
7.3 未来工作展望 |
参考文献 |
致谢 |
攻读博士学位期间发表的学术论文和参加科研情况 |
发表的学术论文 |
参加科研情况 |
(6)三角翼摇滚主动控制的数值模拟研究(论文提纲范文)
摘要 |
ABSTRACT |
第一章 绪论 |
1.1 研究背景 |
1.2 三角翼摇滚研究进展 |
1.3 飞行器多学科耦合数值模拟研究进展 |
1.3.1 气动/运动/控制多学科耦合数值模拟 |
1.3.2 动网格技术 |
1.3.3 三角翼摇滚主动控制 |
1.4 本文主要工作 |
第二章 控制方程与数值计算方法 |
2.1 控制方程 |
2.1.1 ALE描述下的控制方程 |
2.1.2 ALE描述下Navier-Stokes方程组无量纲化 |
2.1.3 一般曲线坐标系下Navier-Stokes方程组的形式 |
2.1.4 Navier-Stokes方程组的有限体积离散形式 |
2.2 空间离散 |
2.2.1 MUSCL插值 |
2.2.2 Roe格式 |
2.2.3 Muller熵修正 |
2.3 几何守恒律 |
2.4 时间离散 |
2.4.1 隐式时间离散形式 |
2.4.2 LU-SGS隐式方法 |
2.4.3 含双时间步的LU-SGS方法 |
2.4.4 内迭代收敛指标 |
2.4.5 粘性项近似隐式处理 |
2.5 边界条件处理 |
2.5.1 远场边界条件 |
2.5.2 对接边界条件 |
2.5.3 物面边界条件 |
2.5.4 对称边界条件 |
2.5.5 奇性轴条件 |
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 单自由度耦合运动模拟方法 |
2.7.1 常用坐标系 |
2.7.2 滚转运动方程 |
2.7.3 运动方程与Navier-Stokes方程的耦合 |
2.8 本章小结 |
第三章 动网格技术 |
3.1 RBF_TFI动态网格变形技术 |
3.1.1 超限插值网格变形技术 |
3.1.2 径向基函数插值网格变形技术 |
3.1.3 RBF-TFI网格变形方法 |
3.1.4 网格变形实例 |
3.2 刚性动网格技术 |
3.3 算例验证 |
3.3.1 NACA0012翼型强迫俯仰振荡 |
3.3.2 三角翼大攻角单自由度滚转 |
3.4 本章小结 |
第四章 带舵面三角翼大攻角运动特性研究 |
4.1 三角翼计算模型与计算网格 |
4.2 无舵偏运动特性 |
4.2.1 静态特性 |
4.2.2 单自由度滚转运动特性 |
4.2.3 带后缘舵三角翼摇滚运动模型 |
4.3 差动舵偏运动特性 |
4.3.1 静态特性 |
4.3.2 动态运动特性 |
4.3.3 线性滚转力矩模型 |
4.4 本章小结 |
第五章 带舵面三角翼摇滚多学科耦合主动控制的数值模拟研究 |
5.1 控制闭环线性气动模型 |
5.1.1 控制闭环线性模型的建立 |
5.1.2 基于控制闭环线性模型的摇滚控制预测 |
5.2 多学科耦合主动控制的数值模拟 |
5.2.1 三角翼摇滚主动控制多学科耦合数值模拟方法 |
5.2.2 比例控制器下三角翼摇滚主动控制的多学科耦合数值模拟 |
5.2.3 比例微分控制器下三角翼摇滚主动控制的多学科耦合数值模拟 |
5.3 本章小结 |
第六章 结束语 |
本文的主要研究内容和结论 |
下一步工作展望 |
致谢 |
参考文献 |
作者在学期间取得的学术成果 |
(7)基于梯度的气动/结构多学科优化方法及应用研究(论文提纲范文)
摘要 |
ABSTRACT |
第一章 绪论 |
1.1 研究背景和目的 |
1.2 国内外研究现状 |
1.2.1 气动弹性数值分析方法 |
1.2.2 考虑静气动弹性影响的气动/结构多学科优化设计方法 |
1.2.3 考虑颤振影响的气动/结构多学科优化设计方法 |
1.3 当前研究中存在的问题 |
1.4 本文研究目标及主要工作 |
第二章 基于梯度的定常问题的气动/结构多学科优化设计方法 |
2.1 适用于复杂构型的静气动弹性分析方法 |
2.1.1 基于RANS方程的定常气动力分析方法 |
2.1.2 基于有限元的线性结构静力学分析方法 |
2.1.3 CFD/CSD数据插值方法 |
2.1.4 基于逆距离权重插值的动网格技术 |
2.1.5 CFD/CSD耦合求解方法 |
2.1.6 算例验证 |
2.2 优化设计技术模块 |
2.2.1 基于B样条的FFD几何参数化方法 |
2.2.2 序列二次规划算法 |
2.3 梯度计算方法 |
2.3.1 气动结构耦合离散伴随方程的推导及求解 |
2.3.2 目标函数梯度的求解 |
2.3.3 梯度求解精度验证 |
2.4 优化设计系统的搭建 |
2.5 本章小结 |
第三章 基于改进的Chebyshev谱方法的颤振计算新方法 |
3.1 不依赖于时间离散步长的Chebyshev谱方法 |
3.1.1 Chebyshev谱方法 |
3.1.2 Chebyshev算子的投影变换 |
3.1.3 时间离散步长依赖性分析与改进 |
3.2 基于改进的Chebyshev谱方法的非定常气动力模型 |
3.2.1 非定常面元法 |
3.2.2 改进的Chebyshev谱方法与非定常气动力模型的耦合 |
3.2.3 算例验证 |
3.3 基于改进的Chebyshev谱方法的结构动力学模型 |
3.3.1 基于等效梁理论的结构动力学模型 |
3.3.2 改进的Chebyshev谱方法与结构动力学模型的耦合 |
3.3.3 算例验证 |
3.4 颤振分析求解方法 |
3.4.1 气动/结构耦合的时域求解方法 |
3.4.2 基于改进的Chebyshev谱方法的气动/结构耦合求解方法 |
3.4.3 算例验证 |
3.5 本章小结 |
第四章 基于梯度的考虑颤振影响的气动/结多学科优化设计方法 |
4.1 基于改进的Chebyshev谱方法的气动/结构伴随方程的推导与求解 |
4.2 颤振特性度量的选择及其梯度求解 |
4.2.1 基于系统阻尼率的颤振特性度量 |
4.2.2 系统阻尼率对设计变量梯度的计算 |
4.2.3 梯度求解精度验证 |
4.3 考虑颤振影响的气动/结构多学科优化设计系统的构建 |
4.4 本章小结 |
第五章 超大展弦比无人机诱导阻力减阻原理与颤振抑制设计研究 |
5.1 超大展弦比无人机诱导阻力减阻与颤振抑制设计问题 |
5.2 超大展弦比无人机几何模型 |
5.3 优化设计框架 |
5.4 最小化诱导阻力驱动的优化设计 |
5.4.1 优化数学模型 |
5.4.2 优化设计结果 |
5.4.3 结果对比与诱导阻力减阻原理分析 |
5.4.4 适用于柔性机翼的诱导阻力估算公式修正 |
5.5 最小化诱导阻力与颤振抑制共同驱动的优化设计 |
5.5.1 优化数学模型 |
5.5.2 优化设计结果 |
5.5.3 结果对比与颤振抑制原理分析 |
5.6 本章小结 |
第六章 HALE无人机气动/结构优化设计及学科耦合影响研究 |
6.1 HALE无人机气动/结构多学科优化设计问题 |
6.2 HALE无人机几何模型 |
6.3 HALE无人机优化数学模型 |
6.3.1 目标函数与约束条件 |
6.3.2 优化设计变量 |
6.3.3 优化设计框架 |
6.4 气动/结构设计结果与学科耦合影响分析 |
6.5 本章小结 |
第七章 总结与展望 |
7.1 研究内容总结 |
7.2 创新点总结 |
7.3 研究展望 |
参考文献 |
致谢 |
攻读博士学位期间发表的学术论文和参加科研情况 |
(8)基于Stackelberg博弈与连续伴随方法的气动外形优化设计(论文提纲范文)
致谢 |
摘要 |
Abstract |
1 绪论 |
1.1 研究背景及意义 |
1.2 气动外形优化设计方法的研究现状 |
1.2.1 定常单目标优化设计方法 |
1.2.2 定常多目标优化设计方法 |
1.2.3 非定常优化设计方法 |
1.3 气动外形优化设计方法存在的问题 |
1.4 本文研究目的及章节安排 |
2 流动控制方程及数值求解 |
2.1 流动控制方程 |
2.2 湍流模型 |
2.3 空间离散格式 |
2.3.1 无粘通量离散 |
2.3.2 粘性通量离散 |
2.4 时间推进方法 |
2.4.1 定常时间推进 |
2.4.2 非定常时间推进 |
2.5 加速收敛技术 |
2.5.1 当地时间步长 |
2.5.2 多重网格技术 |
2.6 边界条件 |
2.6.1 物面边界条件 |
2.6.2 远场边界条件 |
2.6.3 对称边界条件 |
2.7 气动系数计算 |
2.8 计算精度验证 |
2.8.1 RAE2822翼型定常跨音速流场数值模拟 |
2.8.2 ONERA M6机翼定常跨音速流场数值模拟 |
2.8.3 CRM构型定常跨音速流场数值模拟 |
2.8.4 NACA 64A010翼型非定常跨音速流场数值模拟 |
2.9 本章小结 |
3 基于Stackelberg博弈与连续伴随方法的气动外形优化设计理论 |
3.1 参数化建模 |
3.1.1 Hicks-Henne翼型参数化方法 |
3.1.2 FFD三维复杂外形参数化方法 |
3.2 网格变形 |
3.3 基于连续伴随方法的气动外形优化设计 |
3.3.1 连续伴随方法理论 |
3.3.2 连续伴随方法的应用及验证 |
3.3.3 基于连续伴随方法的气动外形优化设计系统构建 |
3.4 Stackelberg博弈 |
3.4.1 博弈的相关概念 |
3.4.2 Stackelberg博弈理论 |
3.4.3 数学算例 |
3.5 基于Stackelberg博弈与连续伴随方法的气动外形优化设计 |
3.6 本章小结 |
4 基于Stackelberg均衡与连续伴随方法的气动优化系统的关键参数研究 |
4.1 单目标优化时的关键参数研究 |
4.1.1 设计变量的分裂及映射 |
4.1.2 参与者优化周期 |
4.2 多目标优化时的关键参数研究 |
4.2.1 设计变量的分裂及映射 |
4.2.2 参与者优化周期 |
4.3 关于关键参数的结论 |
4.4 本章小结 |
5 定常气动外形优化设计 |
5.1 定常单目标气动外形优化设计 |
5.1.1 RAE2822翼型 |
5.1.2 ONERA M6机翼 |
5.1.3 CRM构型 |
5.2 定常多目标气动外形优化设计 |
5.2.1 RAE2822翼型 |
5.2.2 ONERA M6机翼 |
5.2.3 CRM构型 |
5.3 本章小结 |
6 非定常气动外形优化设计 |
6.1 基于动力学模态分解的湍流分析方法 |
6.2 非定常单目标气动优化设计 |
6.3 非定常多目标气动优化设计 |
6.4 本章小结 |
7 总结与展望 |
7.1 本文的主要工作 |
7.2 论文的创新之处 |
7.3 进一步研究工作 |
参考文献 |
附录A: 雅克比矩阵 |
附录B: 边界条件线性化 |
.1 无滑移边界线性化 |
.2 无穿透边界线性化 |
.3 绝热边界线性化 |
作者简历及攻读博士学位期间学术成果 |
(9)倾转旋翼机过渡模式下非定常气动力数值模拟(论文提纲范文)
摘要 |
abstract |
注释表 |
缩略词 |
第一章 绪论 |
1.1 研究背景与意义 |
1.2 国内外研究现状 |
1.2.1 动网格技术研究进展 |
1.2.2 倾转旋翼机气动特性研究进展 |
1.2.3 飞行器气动/控制一体化数值模拟研究进展 |
1.3 本文的研究内容 |
第二章 动网格生成技术及其应用 |
2.1 引言 |
2.2 IDW-TFI混合动网格技术 |
2.2.1 IDW动网格技术 |
2.2.2 TFI动网格技术 |
2.2.2.1 二维TFI |
2.2.2.2 三维TFI |
2.2.3 IDW-TFI混合动网格技术计算流程 |
2.2.4 IDW-TFI动网格算例 |
2.2.4.1 二维算例 |
2.2.4.2 三维算例 |
2.3 预估-校正特大变形动网格技术 |
2.3.1 静态网格生成 |
2.3.2 预估步 |
2.3.3 校正步 |
2.3.4 预估-校正动网格算例 |
2.3.4.1 二维算例 |
2.3.4.2 三维算例 |
2.4 本章小结 |
第三章 倾转旋翼机流场数值模拟方法 |
3.1 引言 |
3.2 定常流动N-S方程求解 |
3.2.1 控制方程 |
3.2.2 空间离散 |
3.2.3 时间离散 |
3.2.4 湍流模型 |
3.2.4.1 SA模型控制方程 |
3.2.4.2 SA模型控制方程的求解 |
3.2.4.3 基于SA模型的DES模型 |
3.2.5 边界条件 |
3.2.5.1 物面边界 |
3.2.5.2 远场边界 |
3.2.5.3 对称边界 |
3.2.6 低速预处理方法 |
3.2.7 多块结构网格并行算法 |
3.2.8 定常数值模拟方法验证 |
3.2.8.1 二维定常N-S方程 |
3.2.8.2 三维定常N-S方程 |
3.3 非定常流动N-S方程求解 |
3.3.1 控制方程 |
3.3.2 双时间推进法 |
3.3.3 几何守恒律 |
3.3.4 非定常数值模拟方法验证 |
3.3.4.1 二维非定常N-S方程 |
3.3.4.2 三维非定常N-S方程 |
3.4 旋翼等效桨盘的数学模型 |
3.4.1 桨盘气动载荷模型 |
3.4.1.1 代数模型 |
3.4.1.2 叶素理论模型 |
3.4.2 等效桨盘算例验证 |
3.4.2.1 单独旋翼模型 |
3.4.2.2 GIT模型 |
3.4.2.3 ROBIN模型 |
3.5 本章小结 |
第四章 直升机模式和固定翼飞机模式下气动特性分析 |
4.1 引言 |
4.2 倾转旋翼机实体造型 |
4.3 倾转旋翼机机翼翼型气动性能分析 |
4.3.1 最大升力系数 |
4.3.2 阻力发散马赫数 |
4.3.3 最小阻力系数 |
4.3.4 俯仰力矩系数 |
4.4 悬停状态下倾转旋翼机气动特性计算 |
4.4.1 悬停状态流动机理分析 |
4.4.2 悬停状态向下载荷被动减缓措施研究 |
4.4.2.1 后缘襟翼 |
4.4.2.2 克鲁格襟翼 |
4.4.2.3 前缘下垂 |
4.4.2.4 扰流板 |
4.4.2.5 三维组合体构型减阻能力验证 |
4.5 前飞状态下倾转旋翼机气动特性计算 |
4.5.1 直升机模式前飞 |
4.5.2 飞机模式前飞 |
4.6 本章小结 |
第五章 过渡模式下非定常气动力计算 |
5.1 引言 |
5.2 倾转旋翼机倾转走廊 |
5.2.1 低速段发动机短舱倾转角度-速度包线 |
5.2.2 高速段发动机短舱倾转角度-速度包线 |
5.3 适用于过渡模式的静、动态结构网格生成策略 |
5.4 匀速前飞状态下倾转过程气动特性分析 |
5.4.1 固定倾转角的准定常气动特性计算 |
5.4.1.1 二维翼梢剖面 |
5.4.1.2 三维组合体构型 |
5.4.2 考虑旋翼倾转运动的非定常气动特性计算 |
5.4.2.1 旋翼不同倾转模式 |
5.4.2.2 旋翼不同倾转时间 |
5.4.2.3 不同飞行转换模式 |
5.4.2.4 倾转旋翼机迎角动态变化过程 |
5.5 加速前飞状态下倾转过程气动特性分析 |
5.5.1 网格速度法 |
5.5.2 二维翼梢剖面 |
5.5.3 三维组合体构型 |
5.6 本章小结 |
第六章 考虑后缘襟翼运动的过渡模式下非定常气动力计算 |
6.1 引言 |
6.2 后缘襟翼气动特性分析 |
6.2.1 后缘襟翼模型 |
6.2.2 后缘襟翼静态气动特性分析 |
6.2.3 后缘襟翼动态气动特性分析 |
6.2.3.1 偏转角频率对后缘襟翼气动特性的影响 |
6.2.3.2 偏转规律对后缘襟翼气动特性的影响 |
6.3 拉力矢量和后缘襟翼组合运动下二维静态气动特性分析 |
6.4 拉力矢量和后缘襟翼组合运动下二维动态气动特性分析 |
6.4.1 后缘襟翼阶跃型操纵响应分析 |
6.4.2 后缘襟翼谐波型操纵响应分析 |
6.4.3 后缘襟翼线性函数型操纵响应分析 |
6.5 拉力矢量和后缘襟翼组合运动下三维气动特性分析 |
6.6 本章小结 |
第七章 总结与展望 |
7.1 全文总结 |
7.2 本文的创新点 |
7.3 研究工作展望 |
参考文献 |
致谢 |
在学期间的研究成果及发表的学术论文 |
(10)跨声速复杂气动弹性问题的诱发机理及控制研究(论文提纲范文)
摘要 |
ABSTRACT |
第一章 绪论 |
§1.1 跨声速复杂流动 |
§1.2 跨声速气动弹性研究现状 |
§1.2.1 稳定性问题 |
§1.2.2 响应问题 |
§1.2.3 目前研究的局限性 |
§1.3 跨声速气动弹性控制研究进展 |
§1.4 本文的研究目的和主要工作 |
第二章 跨声速复杂流动的数值模拟 |
§2.1 数值仿真综述 |
§2.2 基于非结构网格技术的流动仿真 |
§2.2.1 流动控制方程及时空离散 |
§2.2.2 湍流模型 |
§2.3 跨声速翼型抖振算例验证 |
§2.3.1 参数敏感性研究 |
§2.3.2 抖振载荷预测 |
§2.3.3 抖振边界预测 |
§2.4 三维跨声速抖振算例验证 |
§2.4.1 CRM模型介绍 |
§2.4.2 定常算例验证 |
§2.4.3 抖振特性分析 |
§2.5 本章小结 |
第三章 流动稳定性分析及建模 |
§3.1 综述 |
§3.2 基于DMD技术的流动稳定性分析 |
§3.2.1 DMD分析方法 |
§3.2.2 流动的稳定性分析 |
§3.3 基于ARX模型的不稳定流动建模 |
§3.3.1 ARX模型及建模过程 |
§3.3.2 不稳定定常解 |
§3.3.3 模型辨识 |
§3.3.4 不稳定系统的截断 |
§3.4 基于ERA技术的非定常流动建模 |
§3.4.1 ERA建模方法简介 |
§3.4.2 模型建立 |
§3.5 本章小结 |
第四章 跨声速气动弹性分析方法及验证 |
§4.1 引言 |
§4.2 CFD/CSD时域耦合求解方法 |
§4.3 基于ROM的颤/抖振统一分析模型 |
§4.4 算例验证 |
§4.4.1 BACT模型 |
§4.4.2 AGARD Wing 445.6 |
§4.4.3 NSAP机翼 |
§4.5 本章小结 |
第五章 若干复杂跨声速气动弹性问题机理研究 |
§5.1 引言 |
§5.2 跨声速嗡鸣机理研究 |
§5.2.1 A/B型嗡鸣机理分析 |
§5.2.2 C型嗡鸣机理分析 |
§5.2.3 A/B型和C型嗡鸣的比较和讨论 |
§5.2.4 结论 |
§5.3 弹性特征对跨声速抖振始发边界影响 |
§5.3.1 结构参数影响研究 |
§5.3.2 抖振边界降低 |
§5.3.3 结论 |
§5.4 跨声速抖振锁频及诱发机理 |
§5.4.1 锁频特性分析 |
§5.4.2 锁频诱发机理研究 |
§5.4.3 质量比的影响 |
§5.4.4 结论 |
§5.5 本章小结 |
第六章 跨声速抖振的主动和被动抑制 |
§6.1 抖振控制研究综述 |
§6.2 研究模型及研究方案 |
§6.3 基于CFD仿真的主动控制 |
§6.3.1 开环控制 |
§6.3.2 闭环控制 |
§6.3.3 结论 |
§6.4 基于ROM的闭环控制律设计 |
§6.4.1 极点配置 |
§6.4.2 LQR控制 |
§6.4.3 控制律鲁棒性检验 |
§6.4.4 最优控制律的讨论 |
§6.4.5 结论 |
§6.5 被动反馈控制 |
§6.5.1 控制模型 |
§6.5.2 控制机理分析 |
§6.5.3 参数影响研究 |
§6.5.4 结论 |
§6.6 本章小结 |
第七章 工作总结与展望 |
§7.1 全文研究工作总结 |
§7.2 论文主要创新点 |
§7.3 未来工作展望 |
参考文献 |
致谢 |
博士期间发表论文及获得奖励 |
四、COMPUTATION OF UNSTEADY AERODYNAMIC FORCES ON WINGS WITH NAVIER-STOCKS EQUATIONS(论文参考文献)
- [1]大展弦比复合材料机翼几何非线性静气动弹性研究[D]. 雷帅. 陕西理工大学, 2021(08)
- [2]扑翼飞行器非定常气动理论分析及应用[D]. 朱增钢. 山东大学, 2021(11)
- [3]扑翼飞行器数值模拟研究与平台设计[D]. 李玉帅. 山东大学, 2020(02)
- [4]MIMO几何非线性机翼气动伺服弹性分析与试验[D]. 李星. 大连理工大学, 2020(02)
- [5]分离流中若干气动弹性问题研究[D]. 全景阁. 西北工业大学, 2019(04)
- [6]三角翼摇滚主动控制的数值模拟研究[D]. 杨起. 国防科技大学, 2018(01)
- [7]基于梯度的气动/结构多学科优化方法及应用研究[D]. 杨体浩. 西北工业大学, 2018(02)
- [8]基于Stackelberg博弈与连续伴随方法的气动外形优化设计[D]. 王景. 浙江大学, 2018(03)
- [9]倾转旋翼机过渡模式下非定常气动力数值模拟[D]. 陈皓. 南京航空航天大学, 2018(01)
- [10]跨声速复杂气动弹性问题的诱发机理及控制研究[D]. 高传强. 西北工业大学, 2018(02)