微型飞行器柔性机翼气动特性研究

论文摘要

微型飞行器已经引起了军用和民用的广泛兴趣,它们一般最大尺寸不超过15厘米,飞行速度大概10m/s。近年来,人们对柔性翼微型飞行器的研究也越来越感兴趣,同刚性翼相比,这种新型的微型飞行器有许多优势。柔性翼的研究本质上属于流体-结构耦合问题,而这类问题的主要特征就是两种介质之间的相互作用。本论文采用松耦合模型来解决流-固耦合问题,这种方法的原理是通过分别求解计算流体力学分析（Computational Fluid Dynamics, CFD）和计算结构动力学分析（Computational Structure Dynamics, CSD）区域,不断的在交界面处互换数据,来实现两个区域的变量的不断更新,而不是将两个区域统一起来求解以实现所有变量同时更新。通过数值模拟相同结构外形微型飞行器的刚性和柔性机翼在不同攻角下的流场状况,并对比它们的气动性能,能够发现柔性翼微型飞行器在气动力作用下机翼会产生自适应的变形,这在大攻角情况下尤为明显。这种变形可以带来两方面的效果:一是降低有效攻角,二是增加机翼的拱度。对比计算结果还可以发现,微型飞行器柔性翼可以增加飞机的失速攻角。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 微型飞行器简介
• 1.2 柔性翼微型飞行器的研究现状
• 1.3 柔性翼微型飞行器流场的数值模拟
• 1.4 本文的主要研究方法与内容安排
• 第二章 流体-结构的相互作用及其松耦合计算模型
• 第三章 MAV 的低雷诺数非定常气动特性分析方法
• 3.1 流体控制方程
• 3.2 预处理的双时间步
• 3.3 方程的离散与求解
• 3.3.1 有限体积法空间离散
• 3.3.2 时间离散
• 3.3.3 隐式LU-SGS 迭代
• 3.4 边界条件
• 3.5 几何守恒定律
• 3.6 Spalart-Allmaras 湍流模型
• 3.7 气动力计算
• 第四章 柔性翼MAV 的结构动力学分析方法
• 4.1 三维弹性动力学问题的基本方程[16]
• 4.1.1 平衡方程
• 4.1.2 几何方程——应变-位移关系
• 4.1.3 物理方程——应力-应变关系
• 4.1.4 边界条件
• 4.1.5 初始条件
• 4.2 求解的基本步骤
• 4.2.1 连续区域离散化
• 4.2.2 对所选有限单元构造插值函数
• 4.2.3 系统的求解方程
• 4.2.4 确定系统的质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵
• 4.2.5 单元刚度矩阵组装以及数据的存储
• 4.2.6 直接积分法求解结构动力学方程
• 4.2.7 位移边界条件处理
• 4.2.8 线性代数方程组的解法
• 第五章 柔性翼MAV 的流体-结构耦合分析方法
• 5.1 建立流体与结构网格系统之间的联系
• 5.2 气动力向结构表面节点插值
• 5.3 固体位移向流体表面节点插值
• 第六章 柔性翼MAV 的气动-结构相互作用特性研究
• 6.1 三维悬臂方梁
• 6.1.1 计算模型以及网格介绍
• 6.1.2 数值模拟结果分析
• 6.2 二维柔性机翼
• 6.2.1 计算模型以及网格介绍
• 6.2.2 数值模拟结果分析
• 6.3 三维柔性机翼
• 6.3.1 计算模型以及网格介绍
• 6.3.2 数值模拟结果分析
• 第七章 总结和展望
• 7.1 工作总结
• 7.2 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