降落伞伞衣面雨滴分布和稳降阶段流固耦合数值仿真研究

发布时间：2020-07-12 21:20

【摘要】：随着航天事业的发展,我国在天气良好状况下的载人飞船返回舱回收技术已经十分成熟。由于还无法全面评估不良天气对航天活动造成的威胁,到目前为止载人返回活动在遇到不良天气时往往会推迟或取消。本文以掌握不良天气条件对回收着陆系统的性能影响、实现我国载人返回舱的全天候回收为应用背景,开展了降雨条件下的伞衣面雨滴分布规律以及降落伞稳降阶段的流固耦合效应研究。主要研究内容如下:研究了降雨环境数值建模问题。将空气看作连续相,雨滴作为离散相,利用包含离散相的Euler-Lagrange两相流理论建立了空气与雨滴粒子之间的联系。在离散相模型中,假设雨滴均为球形颗粒,包含降雨环境中的降雨强度、雨滴谱分布、雨滴末速度等关键参数,通过改变球形粒子直径、发射面的雨滴粒子数目、粒子相对气流的发射速度和质量流率这些参数实现对多种工况中不同降雨环境的模拟。研究了暴雨环境下半球形降落伞伞衣面上的雨滴粒子分布规律。基于伞衣面上是否形成水膜的不同假设,开展了多种工况下的伞衣面上雨滴粒子分布数值仿真工作。假设雨滴粒子不会在伞衣面上形成水膜时,雨滴粒子到达伞衣面上即被伞衣面捕获,并终止雨滴粒子轨迹的仿真计算。假设雨滴粒子会在伞衣面上形成水膜时,加入Lagrangian液膜模型,并考虑雨滴粒子与伞衣面碰撞之后的粒子溅射、液膜受气流作用发生移动等物理现象。研究了小雨环境下环帆型降落伞伞衣面上的雨滴粒子分布特征。根据“神舟”飞船主降落伞的几何结构和返回舱主着陆区的常年降雨特征,从降雨环境中伞衣面上形成水膜和没有形成水膜两个方面,开展了小雨环境下环帆伞伞衣面上雨滴粒子分布特征的研究,分析了环帆型降落伞与半球形降落伞由于在结构上的不同造成的伞衣面上雨滴粒子分布特征差异。研究了环帆型降落伞在稳降阶段的流固耦合效应。在MpCCI(Mesh-based parallel Code Coupling Interface)鲜有应用于降落伞流固耦合研究的背景下,本文把MpCCI作为数据传递平台,结合非线性有限元分析软件Abaqus和计算流体力学软件Fluent对环帆型降落伞的流固耦合效应进行了仿真。主要模拟了环帆伞在降落过程中出现的“呼吸运动”现象,分析了环帆伞“呼吸运动”的周期性变化规律,并从环帆伞流场中的压力场、速度场分布和伞衣结构变形两个方面研究了降落伞“呼吸运动”过程。仿真过程中,通过自编程序弥补了MpCCI平台本身存在的一些缺陷。对环帆伞稳降阶段流固耦合效应的研究,验证了MpCCI应用于降落伞流固耦合研究领域中的可行性。总之,本文首先利用所建立的降雨数值仿真环境,对暴雨环境下半球形降落伞和小雨环境下环帆型降落伞伞衣面上的雨滴分布特征进行了数值仿真研究。然后,利用MpCCI平台研究了环帆型降落伞在稳降阶段的流固耦合现象。所做工作为将来进一步开展同时考虑流固耦合效应和降雨环境影响的降落伞性能研究提供一定的参考。
【学位授予单位】：国防科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O353.4

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本文编号：2752504