有相对运动的多体分离过程非定常数值算法研究及实验验证

论文摘要

有相对运动的多体分离问题作为一类特殊的力学问题广泛地存在于航空、航天以及武器系统中。由于其本身的复杂性,不论是采用实验方法还是数值模拟方法都存在或多或少的困难,建立有效、准确解决有相对运动的多体分离问题的数值方法在理论及应用上都很有价值。本文根据这一需求,建立了基于非结构动网格的数值模拟技术,形成了能够应用于求解复杂外形多体分离问题的高效、准确的软件系统。软件系统的可信度得到了数值验证及激波管实验的考核确认,在解决复杂分离问题中取得了良好的效果。首先,基于多体分离问题求解时对计算效率及精度的要求,选择ALE描述的Euler方程为流动控制方程,采用VanLeer格式计算通量,采用分段线性重构或MUSCL重构方法得到空间二阶精度,采用限制器抑制激波处的非物理振荡。时间方向的积分采用二阶精度的显式多步Runge-Kutta方法,计算格式满足几何守恒律。此外,本文着重研究了刚体动力学方程与流体方程的松耦合求解方法,实现了气动力与运动轨迹在同一物理时间内的关联求解。其次,基于多体分离问题物形复杂、运动位移大的特点,采用非结构动网格技术实现对多体相对运动的描述。动网格方法由网格变形与局部网格重构组成。采用网格变形方法实现动边界周围网格的跟随运动,网格变形采用改进后的弹簧近似模型;当计算区域网格质量变差后采用局部重构的方法,重新生成重构区域的网格。本文计算软件实现了从网格质量判定、重构区域窗口划分、重构区域网格重新生成,到新旧网格关系的建立、新旧网格上物理量的信息传递、分离继续计算的网格自主重构技术,计算过程无需人为干预。针对重构后的插值将引入误差这一问题,本文提出了“移动网格传值方法”,采用动网格方法实现了新旧网格的高精度信息传递,方法应用于一维、二维及三维传值问题取得很好的效果。另外,本文引入“八叉树”数据结构,使得三维新旧网格间的查询效率大大提高。再次,基于多体分离问题求解的可信度需求,本文采用民机标模外形及类航天飞机外形进行了数值比对,结果与文献中计算、实验结果吻合较好。同时,本文专门设计了用于验证多体分离问题数值方法的激波管实验。采用数值方法模拟得到的实验模型运动轨迹与激波管实验拍摄得到的运动轨迹吻合很好。简单有效的激波管实验不仅是本文数值方法的验证确认,而且能够为精细验证实验及其他动边界实验提供参考。最后,采用非结构动网格方法对多个有相对运动的复杂分离问题进行了研究。①针对动网格技术中的难题——“接触/分离”问题,本文提出“虚拟网格通气技术”,成功地解决了整流罩启动解锁、隐身飞机弹舱舱门开启这些物体由完全接触到开缝而后逐渐远离过程的模拟。计算真实再现了整流罩启动解锁初期气体冲击狭缝带来的气动力波动现象及舱门开启后弹舱空腔流动的压力振荡情况。②整流罩分离设计问题。整流罩分离设计虽然存在一些经验可循,但缺乏通用的“安全分离准则”,本文采用非结构动网格方法对某型整流罩分离过程进行了细致分析,从整流罩外形、质心位置及启动干扰影响等多方面分析分离过程的影响因素,提出“质心后移方法”能够确保整流罩的安全分离,该方法在子母弹抛壳中得到了验证。③子母弹抛撒问题。本文对子母弹飞行过程中旋转、切壳及前后舱数十枚子弹抛撒过程的计算,体现了本文计算软件对复杂多体分离问题的处理能力,也为子母弹的设计检验提供了一条有效的研究途径。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究工作的背景
• 1.1.1 航天领域的多体分离问题
• 1.1.2 航空领域的多体分离问题
• 1.1.3 武器系统的多体分离问题
• 1.2 多体分离问题的研究现状
• 1.2.1 多体分离问题的实验研究
• 1.2.2 国外多体分离问题的数值方法研究
• 1.2.3 国内多体分离问题的数值方法研究
• 1.3 非结构动网格方法解决多体分离问题的优势
• 1.4 本文的研究内容
• 1.4.1 本文主要工作
• 1.4.2 论文结构
• 第二章 非定常流动数值算法及关键问题处理
• 2.1 流动控制方程
• 2.2 空间离散
• 2.2.1 基本方法
• 2.2.2 高阶格式构造
• 2.2.3 限制函数
• 2.3 时间离散
• 2.4 几何守恒律
• 2.5 边界条件
• 2.6 刚体动力学耦合计算
• 2.7 小结
• 第三章 非结构动网格技术
• 3.1 网格变形策略
• 3.2 网格局部重构
• 3.2.1 空间区域布点方法
• 3.2.2 Delaunay三角化算法
• 3.2.3 网格质量判据
• 3.2.4 网格优化
• 3.3 变形与重构相结合的动网格方法
• 3.4 小结
• 第四章 高精度信息传递方法
• 4.1 移动网格信息传递方法
• 4.1.1 一维问题
• 4.1.2 二维问题
• 4.1.3 三维问题
• 4.1.4 二维、三维问题移动步数的确定
• 4.2 移动网格传值方法验证
• 4.2.1 一维 Lax问题
• 4.2.2 二维激波反射问题
• 4.2.3 三维激波反射问题
• 4.2.4 运动圆柱网格重构传值问题
• 4.3 加速寻点方法
• 4.4 小结
• 第五章 计算方法的数值验证
• 5.1 民机外形三维定常绕流
• 5.2 类航天飞机三维定常绕流
• 5.3 冲压发动机进气道压力振荡过程研究
• 5.4 小结
• 第六章 验证算法的实验研究
• 6.1 实验设计
• 6.1.1 实验设备
• 6.1.2 实验设计
• 6.1.3 边界提取方法
• 6.1.4 实验结果
• 6.2 数值模拟
• 6.3 小结
• 第七章 虚拟网格通气技术及应用
• 7.1 虚拟网格通气技术数值方法
• 7.2 虚拟网格通气技术的应用
• 7.2.1 整流罩启动解锁过程模拟
• 7.2.2 隐身飞机弹舱开启过程模拟
• 7.3 小结
• 第八章 非结构动网格技术的三维应用
• 8.1 整流罩抛罩过程数值模拟
• 8.1.1 两瓣分离计算
• 8.1.2 四瓣分离计算
• 8.2 子母弹抛撒过程数值模拟
• 8.2.1 切壳过程
• 8.2.2 子弹抛撒过程
• 8.3 小结
• 第九章 结束语
• 9.1 本文的创新点
• 9.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 攻读博士学位期间参与的科研工作
• 附录二维、三维移动网格传值方法网格库朗数的确定