降落伞开伞过程的流固耦合技术研究

论文摘要

降落伞是一种重要的气动力减速装置,其工作过程中涉及飞行力学、空气动力学、结构力学等多方面的学科。其中,开伞过程最为复杂,是一个快速大形变状态下结构动力学与流体动力学耦合的复杂问题。本文针对降落伞开伞过程,应用流固耦合计算方法,展开了初步的理论研究工作。其主要工作内容有:（1）详细总结了降落伞充气过程中流固耦合的研究历程,指出了基于网格的计算流体力学方法和布涡法是当前研究并解决降落伞充气过程所存在问题的主要途径;（2）归纳了降落伞充气过程中所涉及的结构力学方程、计算流体力学方程以及相关的耦合技术;（3）以C-9伞为基础建立了准三维计算模型,用商业软件LS-DYNA模拟了稳定来流条件下的降落伞伞衣外形变化、流场分布、应力变化等,并加以分析;（4）用fluent软件建立了稳定下降阶段无透气量伞、开顶孔伞及开顶孔和环带伞三种伞形的仿真模型,得到了三种伞形在稳定下降阶段的流场、速度场、压力场等参数,并进行了对比分析。本文的主要结论是:（1）充气过程中伞衣内外产生一对大小相等、方向相反的涡漩。伞衣内部涡逐渐减小,向伞顶运动,伞衣外部涡渐渐长大,向尾流方向运动;（2）伞衣充气过程中伞顶先充气,再向伞底膨胀,伞顶呈现一张一缩的呼吸现象。（3）在保证下落速度的前提下适当的增加伞的结构透气量将有利于伞稳定性的提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 图表清单
• 注释表
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 欧美等国家
• 1.2.2 俄罗斯
• 1.2.3 国内
• 1.3 本文研究内容
• 第二章 降落伞开伞过程控制方程和数值模拟方法
• 2.1 引言
• 2.2 结构动力学模型
• 2.2.1 伞衣的结构动力学模型
• 2.2.2 无重力的质点阻尼弹簧连接的伞衣模型介绍
• 2.3 流体力学模型
• 2.3.1 控制方程
• 2.3.2 隐式格式的构造
• 2.3.3 空间差分格式
• 2.3.4 湍流模型
• 2.3.5 计算域及边界条件
• 2.4 流固耦合方法
• 2.5 本章小结
• 第三章 降落伞充气过程的数值模拟
• 3.1 LS-DYNA 软件介绍
• 3.2 C-9 型降落伞物理结构及简化处理
• 3.2.1 C-9 型降落伞结构模型及物理参数
• 3.2.2 计算模型的建立
• 3.3 流固耦合关键字设置及相关介绍
• 3.5 计算结果分析
• 3.5.1 伞衣充气外形变化和流场分析
• 3.5.2 伞衣质点的位移变化
• 3.5.3 伞衣应力分布
• 3.6 本章小结
• 第四章 结构透气量对降落伞稳定下降阶段影响的研究
• 4.1 FLUENT 软件模拟计算流程简介
• 4.2 降落伞计算模型及简化处理
• 4.2.1 降落伞的物理模型
• 4.2.2 降落伞的模型的简化处理
• 4.3 控制方程
• 4.4 数值模拟方法
• 4.4.1 网格划分
• 4.4.2 模拟条件
• 4.5 计算结果分析
• 4.5.1 无结构透气量伞的数值模拟结果
• 4.5.2 开顶孔伞的数值模拟结果
• 4.5.3 开顶孔和环带伞的数值模拟结果
• 4.5.4 模拟结果分析对比
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结和展望
• 5.1 本文的主要工作
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文