高超声速飞行器气动—热—结构建模及模型降阶研究

发布时间：2017-10-29 02:07

  本文关键词：高超声速飞行器气动—热—结构建模及模型降阶研究

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【摘要】：高超声速飞行器是当前和未来飞行器发展的重要方向。气动-热-结构耦合问题是高超声速飞行器研究的重要内容之一。准确高效的气动热、气动力计算是开展气动-热-结构耦合分析的重要前提。基于简单几何以及经验公式的气动热近似计算方法和利用各种假设简化条件的非定常气动力近似计算方法存在计算精度不高的问题,应用受到一定限制。计算流体力学(CFD)方法在模拟高超声速流动等非线性问题上具有相当的优势,但是计算效率低、数据计算规模庞大,在高超声速气动-热-结构耦合分析中受到一定限制。因此,有必要发展一种不仅能够提供与CFD求解具有相似精确度,且计算高效的降阶模型。本文以国内外的高超声速气动-热-结构研究现状以及工程应用背景为基础,深入研究气动热、气动力降阶模型的新方法及其在气动-热-结构耦合系统中的应用,并在高超声速热环境边界预测上开展了研究。具体工作内容如下:(1)以典型二元翼段的颤振边界为例,比较了当前各高超声速非定常气动力近似计算方法的精度和适用范围;基于参考焓法和经验公式,利用布泽曼理论求解边界层外缘气流参数,提出了一种可以考虑攻角和翼型的高超声速气动热工程近似计算方法,该气动热近似计算方法简单高效,与算例对比验证了其精度。(2)利用本征正交分解(POD)方法将传统的气动力/气动热物理空间投影到POD特征空间,根据在POD特征空间下特征值的贡献进行合适的截断实现模型降阶目的,并通过代理模型方法实现物理空间与POD特征空间的一一对应关系,提出了一种基于本征正交分解和代理模型的模型降阶方法(POD-Surrogate)。利用该模型降阶方法构造的气动热降阶模型与CFD气动热计算结果进行比较,验证了该降阶方法的有效性和高效性。(3)为了提高降阶模型的精度,提出遗忘因子和空间缩减准则,改进了一种基于maximin准则的逐次枚举拉丁超立方试验设计方法(ESLE)。算例表明,在设计样本点数量相同的情况下,利用ESLE方法获得的初始采样点构造的降阶模型具有更高的预测精度。为了提高构造降阶模型的效率,提出一种基于模糊聚类的逐次加点策略(APSFC),该策略对降阶模型预测精度较差的区域逐次空间划分,进而逐次增加设计样本点快速提高降阶模型的预测精度。与其他同类加点算法对比研究表明,构造降阶模型效率提高近一倍。(4)建立了气动加热计算、瞬态热传导分析、热结构分析、热模态分析以及热颤振分析的集成分析系统。将气动热降阶模型引入气动-热-结构耦合分析。相比于CFD计算,结合降阶模型的气动-热-结构耦合分析具有很高的计算效率。与气动加热近似算法相比,降阶模型考虑了气流粘性、真实气体效应以及复杂外形的影响。算例表明,与基于近似算法的结果相比,结合降阶模型得到的翼面颤振速度降低约10%。研究指出气流粘性、真实气体效应等因素在高超声速气动-热-结构耦合分析中具有相当的重要性,需要予以重视。(5)将气动热、辐射换热和瞬态热传导的动态过程用一种准静态过程处理,提出了一种气动热、辐射换热和瞬态热传导耦合分析方法,用于高超声速热环境边界的预测。该耦合分析方法可以考虑实际飞行弹道条件,实现了考虑瞬态热传导热流的飞行器全弹道气动热环境边界预测。算例表明,向结构内部传导的热流对升力面前缘热环境计算影响较小,而其他的区域影响较大,向结构内部传导的热流对高超声速气动热边界有着重要影响。
【关键词】：高超声速飞行器 气动-热-结构 本征正交分解 代理模型 降阶模型 热环境边界 计算试验设计方法 模糊聚类
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V211
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-17
• 主要符号缩写17-18
• 第1章 绪论18-42
• 1.1 选题背景和意义18-21
• 1.2 高超声速飞行器气动-热-结构研究进展21-26
• 1.3 学科建模方法26-38
• 1.3.1 高超声速气动力建模方法26-30
• 1.3.2 高超声速气动热建模方法30-34
• 1.3.3 气动力与气动热降阶建模方法34-37
• 1.3.4 结构建模方法37-38
• 1.4 高超声速热环境边界38-39
• 1.5 本文研究工作与内容安排39-42
• 第2章 高超声速气动力与气动热近似建模方法42-60
• 2.1 引言42
• 2.2 高超声速非定常气动力近似计算方法42-50
• 2.2.1 活塞理论42-44
• 2.2.2 Van Dyke二阶理论44-45
• 2.2.3 非定常牛顿冲击流理论45-46
• 2.2.4 各非定常气动力计算方法对比研究46-50
• 2.3 高超声速气动热近似计算方法50-58
• 2.3.1 表面热辐射热流50-51
• 2.3.2 热传导热流51
• 2.3.3 气动加热热流51-55
• 2.3.4 热流量平衡方程55
• 2.3.5 气动加热近似计算方法55-56
• 2.3.6 气动加热近似计算方法验证56-57
• 2.3.7 攻角、后掠角、翼型等对气动热的影响分析57-58
• 2.4 小结58-60
• 第3章 高超声速气动力和气动热降阶建模方法60-77
• 3.1 引言60
• 3.2 基于本征正交分解和代理模型的模型降阶方法60-67
• 3.2.1 本征正交分解60-62
• 3.2.2 代理模型方法62-65
• 3.2.3 本征正交分解和代理模型结合的模型降阶方法65-67
• 3.3 本征正交分解和代理模型结合的模型降阶方法验证67-76
• 3.3.1 物理模型描述及设计空间的确定68-69
• 3.3.2 高超声速气动热数值计算69-70
• 3.3.3 降阶模型精度评估70-71
• 3.3.4 气动热算例结果71-75
• 3.3.5 气动力算例结果75-76
• 3.4 小结76-77
• 第4章 降阶模型高精度和高效率方法研究77-96
• 4.1 引言77-78
• 4.2 基于maximin准则改进的逐次枚举拉丁超立方试验设计方法78-86
• 4.2.1 遗忘因子法81-83
• 4.2.2 空间缩减法83-85
• 4.2.3 ESLE采样质量和效率研究85-86
• 4.2.4 ESLE方法在降阶模型中的应用86
• 4.3 基于模糊聚类的逐次加点策略86-95
• 4.3.1 模糊聚类方法87-88
• 4.3.2 基于模糊聚类的加点策略88-90
• 4.3.3 APSFC加点策略质量研究90-95
• 4.4 小结95-96
• 第5章 基于降阶模型的气动-热-结构集成分析96-109
• 5.1 引言96
• 5.2 高超声速飞行器升力面气动-热-结构耦合问题简化96-97
• 5.3 高超声速飞行器升力面气动-热-结构耦合分析97-107
• 5.3.1 气动加热计算100-101
• 5.3.2 瞬态热传导计算101-103
• 5.3.3 热载荷作用下的结构计算103
• 5.3.4 热载荷作用下的结构模态计算103-106
• 5.3.5 热载荷作用下的升力面颤振分析106-107
• 5.4 小结107-109
• 第6章 高超声速飞行器热环境边界研究109-123
• 6.1 引言109
• 6.2 高超声速飞行器表面热流109-111
• 6.3 气动热、辐射换热和瞬态热传导的耦合分析方法111-113
• 6.4 典型算例和热边界预测结果113-121
• 6.4.1 典型高超声速飞行器升力面113-114
• 6.4.2 典型飞行弹道114-115
• 6.4.3 气动热环境预测结果分析115-121
• 6.5 小结121-123
• 第7章 总结与展望123-127
• 7.1 论文主要工作123-124
• 7.2 本文的主要贡献及创新之处124-125
• 7.3 有待进一步研究工作125-127
• 参考文献127-142
• 攻读博士学位期间发表论文与研究成果清单142-144
• 致谢144-145
• 作者简介145

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：1110914