高超声速内外流一体化飞行器动态特性研究

论文摘要

基于三维非定常RANS（Reynolds Averaged Navier Stokes）方程和SA一方程湍流模型,采用数值模拟方法开展了高超声速内外流一体化飞行器动态特性研究。空间方向上的离散采用具有二阶精度的Roe格式,非定常流动求解采用“双时间步”（Dual-time-step）方法的隐式LU-SGS格式。在Etkin非定常气动力模型基础上,给出了小振幅强迫振动下的俯仰、偏航和滚转三方向直接阻尼导数的强迫简谐分析方法,并发展了包括交叉导数、交叉耦合导数在内的多种动导数辨识方法。为了验证数值方法的可靠性,本文针对HBS（Hyper Ballistic Shape）外形和Finner标模,数值模拟了小振幅强迫振动下的非定常流场特性及气动力/力矩特性。通过对强迫运动过程得到的气动力迟滞曲线辨识出相应的动态稳定性参数（动导数）,分析了减缩频率、子迭代步数和网格规模对动导数辨识结果的影响。通过与实验结果的比较表明本文计算结果与实验吻合,验证了非定常流场计算和动导数辨识方法的可靠性。本文在搜集X-51机体/推进一体化飞行器背景资料的基础上,利用功能强大的CAD软件Catia生成了类X-51外形的三维几何数模。针对类X-51外形开展了进气道堵塞和进气道通流两种外形下的定常和非定常流场数值计算,分析了两种外形下的静态气动特性。在此基础上,以定态流场作为非定常流场计算的初场,对小振幅强迫振动下的进气道堵塞和进气道通流两种外形开展了非定常流场数值模拟。采用基于Etkin非定常气动力模型所发展的多种动导数辨识方法对两种外形的非定常流场数据进行动导数辨识,给出了进气道堵塞和通流两种外形下的俯仰、偏航、滚转阻尼导数和交叉导数,并对两种外形下的计算结果开展了初步分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外发展现状
• 1.3 本文的主要工作
• 第二章 控制方程及数值离散方法
• 2.1 三维RANS 控制方程
• 2.2 数值离散方法
• 2.2.1 空间离散方法
• 2.2.2 时间离散方法
• 2.3 湍流模型
• 2.4 网格生成
• 2.4.1 静态网格
• 2.4.2 动态网格
• 2.5 定解条件
• 2.5.1 入流边界
• 2.5.2 出流边界
• 2.5.3 物面边界
• 2.5.4 分区边界条件
• 2.5.5 对称或周期性边界条件
• 2.5.6 奇性轴或奇性面处理
• 第三章 静、动态稳定性参数数值辨识方法及模型验证
• 3.1 基于Etkin 非定常气动力模型的动导数强迫振动辨识方法
• 3.1.1 Etkin 非定常气动力模型
• 3.1.2 俯仰阻尼导数辨识方法
• 3.1.3 偏航阻尼导数辨识方法
• 3.1.4 滚转阻尼导数辨识方法
• 3.2 交叉导数及交叉耦合导数等多种动导数的数值辨识
• 3.3 HBS（Hyper Ballistic Shape）钝锥体模型验证
• 3.3.1 HBS 定态绕流数值验证
• 3.3.2 基于强迫振动法下的俯仰阻尼导数辨识
• 3.4 Finner 标模的俯仰、滚转动导数辨识
• 3.4.1 Finner 标模定常流场计算结果及分析
• 3.4.2 Finner 标模强迫俯仰动导数辨识及非定常流场特性分析
• 3.4.3 Finner 标模强迫滚转动导数辨识及非定常流场特性分析
• 3.4.4 计算参数对滚转阻尼导数辨识结果的影响分析
• 第四章 类X-51 机体/推进一体化飞行器定常流场计算
• 4.1 类X-51 机体/推进一体化飞行器数模构建
• 4.1.1 高超声速乘波体X-51 工程背景
• 4.1.2 类X-51 升力体数学模型的构建
• 4.2 进气道堵塞状态下的类X-51 定常流场计算
• 4.2.1 计算网格
• 4.2.2 定常气动特性及流场状态分析
• 4.3 进气道通流状态下的类X-51 定常流场计算
• 4.3.1 计算网格
• 4.3.2 定常气动特性及流场状态分析
• 4.4 类X-51 两种状态（通流及堵塞）下的气动特性比较
• 第五章 类X51 升力体动态特性分析
• 5.1 进气道堵塞状态下非定常流场计算及动导数辨识
• 5.1.1 强迫俯仰振动
• 5.1.2 强迫滚转振动
• 5.1.3 强迫偏航振动
• 5.2 进气道通流状态下非定常流场计算及动导数辨识
• 5.2.1 强迫俯仰振动
• 5.2.2 强迫滚转振动
• 5.2.3 强迫偏航振动
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果