高超声速流动计算中LU-SGS隐式算法的应用研究

在高超声速条件下,对原始LU-SGS格式及其改进方法的收敛速度做了深入地比较分析,目的是进一步更好地将LU-SGS算法用于工程上复杂外形的计算模拟当中。二维圆柱,三维钝锥及空天飞机算例的结果表明：(i)对于高超声速粘性流动的计算,粘性项应进行隐式处理;(ii)BLU-SGS方法给出的内迭代方式的收敛性优于DP-LUR方法所给出的内迭代方式;(iii)LU-SGS算法中雅克比系数矩阵的计算方式对计算量及收敛性影响较大,若采用精确的矩阵形式则在流动无分离情况下能取得快速收敛的效果,而在含有流动分离的情况因受稳定性的影响精确的矩阵形式的收敛表现不及对角近似形式。     

滑移边界条件的收敛性分析及应用

用速度滑移与温度跳跃边界条件代替通常假定的无滑移边界条件,可有效地提高计算流体力学模型对高空滑移流区域流动的预测精度。应用Maxwell滑移边界条件时,通过直接计算速度梯度及温度梯度而得到速度滑移和温度跳跃量的处理方法在网格较密的时候会出现迭代计算发散的问题。理论分析表明,直接计算梯度的方法使边界条件的时间推进过程等价于雅克比迭代过程,因此必须满足相应的收敛性条件。为了消除收敛性条件的限制,给出了一种在任意网格密度下均收敛的边界条件处理方法并通过数值算例验证了该方法的正确性。针对高空高超声速流动,以空天飞机为例,对比了滑移/无滑移边界条件所得结果的差异,分析了滑移效应对飞行器气动特性及热环境的影响。     

全隐LU-SGS算法在高超声速热化学非平衡流刚性问题中的应用

在高超声速热化学非平衡流动计算中,当地气体能量松弛时间、化学反应特征时间与流动时间推进步长量级差异过大会带来严重数值刚性问题,且在高雷诺数条件下,壁面、拐角等强干扰区网格加密使得该问题加剧,导致初始最大CFL数极小,收敛速度缓慢.原始LU-SGS算法仅考虑化学反应源项和对流项的隐式处理,通过推导黏性项Jacobian矩...     

高超声速过渡区气动热的DSMC数值模拟研究

气动热是制约高超声速飞行器设计的主要因素之一,当飞行高度大于40 km时流场中存在局部过渡区流动特性,基于分子动力学的DSMC方法是解决高超声速过渡区气动热计算的有效途径之一。针对高超声速飞行器的典型球锥外形,采用DSMC方法开展了过渡区流动气动热特性研究,分析了当流场具有过渡区流动特性时,飞行马赫数和飞行高度对气动热的影响规律,并与Fay-Riddell驻点热流的工程算法作了对比分析。计算结果表明,DSMC方法在高超声速过渡区流动气动热计算中可以得到较好的结果,适用于高超声速过渡区流场气动热的计算与分析。     

一种基于正交迭代的无人直升机着舰相对位姿估计方法

针对基于视觉的舰载无人直升机自主着舰过程中的相对位姿估计问题,选取着舰标志图像的角点特征进行求解,提出了一种基于正交迭代的位姿估计算法。该算法为满足位姿估计结果精确、鲁棒和高效的要求,采用目标空间误差作为误差函数,并基于透视投影模型给出迭代初值,相对于随机给定初始值而言,使得迭代次数减少,收敛速度提升;在迭代过程中,通过绝对定向方式来求解空间共线性误差最优值问题。仿真结果表明:该方法实时性好、精度较高,具有全局收敛性。     

线性方程组二级迭代法的收敛速度

二级迭代法由内、外迭代和内迭代次数三部分组成。给出了线性方程组二级迭代法R1-收敛因子的一个上界,这个上界由内、外迭代的R1-收敛因子和内迭代次数所决定,其主部为外迭代的R1-收敛因子。在矩阵单调性条件下,对于任何内迭代方法和任意内迭代次数,证明了外迭代的R1-收敛因子也是二级迭代法R1-收敛因子的下界。所得结果反映了内、外迭代的收敛速度以及内迭代次数对于二级迭代法收敛速度的综合影响。     

高超声速飞行器纵向平面滑翔飞行制导控制方法

针对高超声速飞行器纵向平面内准平衡滑翔制导控制问题,提出一种基于动态面控制和滑模控制的制导与姿态控制系统设计方法。建立高超声速飞行器纵向平面质心和绕质心运动模型,以航程预测-校正控制为出发点得到期望速度倾角并结合飞行器纵向模型中速度倾角、攻角和俯仰角速率间的关系,利用动态面控制方法、终端滑模控制和二阶滑模控制方法完成高超声速飞行器纵向平面内制导与姿控系统设计。基于偏导系数矩阵形式的通用高超声速飞行器气动模型,完成期望攻角和左右升降舵偏角指令的解析计算。通过高超声速飞行器对该制导控制系统设计方法的有效性和鲁棒性进行仿真验证。根据数值仿真结果,系统阐述了高超声速飞行器进入准平衡滑翔飞行前后制导控制系统工作的特点,进而总结了从初始下降段到准平衡滑翔段交班飞行阶段制导控制系统设计需要注意的问题。     

吸气式高超声速飞行器助推分离过程数值仿真

针对吸气式高超声速冲压发动机验证性试验特殊的飞行环境和助推分离条件，以某轴对称吸气式高超声速飞行器级间分离问题为具体研究对象，采用非结构网格局部网格重构技术和非定常问题非定常六自由度问题仿真方法，对该复杂构型飞行器助推分离过程进行数值计算。研究得到弱干扰冷态分离状态下飞行器及助推器的运动参数和气动力参数在分离过程中的发展规律。对0.3 s内助推器的位移轨迹进行分析，判断分离方案的可行性，并给出最佳的分离工况条件。     

再入体表面脉动压力环境的预测

在较宽的攻角范围内 ,考察了超声速和高超声速流场中一类球头双锥再入体表面脉动压力的分布特性 ,并基于超声速和高超声速流动情况下再入体表面的压力分布给出一套预测表面脉动压力分布的工程方法。利用该方法研究了马赫数、攻角、壁面温度等因素对再入体表面脉动压力环境的影响。计算结果表明 ,在本文的计算条件范围内 ,预测的均方根脉动压力系数分布与实验结果基本一致。     

纯方位目标运动状态的极大似然估计及迭代算法

针对非线性最小二乘法在国内目标运动分析中应用较少的现状,首先在二维平面内推导出关于纯方位目标运动状态的极大似然估计的计算公式并给出了基于高斯-牛顿迭代算法的计算过程及步骤,随后分析了极大似然估计的性能和迭代算法的收敛性.仿真计算的结果表明:当迭代初值与目标真实状态充分接近时,用所推导出的计算公式能够快速稳定地得到关于目标运动状态的极大似然估计,迭代算法形式简洁,计算量小.该研究成果可应用于舰艇作战系统目标被动跟踪定位软件.     

流形上的状态反馈控制策略

在流形上研究非线性系统的反馈镇定问题 ,针对线性化系统存在不可控不稳定子空间和不可控中心子空间几种情形 ,提出通过构造中心流形的控制策略 ,使线性化系统变为完全可控系统 .给出的系列定理表明 :①在线性化系统完全可控条件下 ,线性多输入反馈控制足可以使非线性系统镇定于原点 ;若原点为双曲的 ,则单输入线性控制是足够的 ;②线性化系统部份可控时 ,若不可控子空间是不稳定子空间 ,则存在中心流形控制器 ,使系统在原点邻域的平衡点上变为完全可控系统 ;若不可控子空间是中心子空间 ,则既可以通过中心流形将系统反馈镇定于原点 ,又可以重新构造中心流形使系统在原点的邻域内变为完全可控系统 ;③将存在不可控单零特征根的系统镇定于原点 ,构成了控制器的设计算法 .     

模糊控制在AUV舵机控制系统中的应用

研究了AUV舵机的模糊PID控制问题.针对传统模糊PID控制存在量化误差和调节死区,稳态精度较差的缺陷,提出了基于变论域思想的模糊PID控制新策略,设计了自主水下航行器(AUV)的舵机控制器,给出了模糊PID控制SIMULINK仿真图.仿真结果表明,舵机控制系统的快速性、稳定性、稳态精度等指标都得到了改善,从本质上消除传统模糊PID控制存在的稳态误差和稳态颤振现象,验证了该方法的正确性和可行性.     

质量块控制自旋导弹的Lyapunov稳定性分析

给出了质量矩控制导弹的动力学模型及在一定条件下的简化动力学模型;用Lyapunov分析方法给出了动稳定性条件。结果说明,推力和静稳定度越大,越有利于动态稳定;阻力越大越不利于动态稳定。     

高频电磁注入替代辐照耦合装置的设计研究

为提高电磁注入法的应用频带范围,提出基于定向耦合原理的电磁注入方法,并以某天线及其射频前端构成的互连系统为试验对象,利用单定向耦合器作为注入装置进行了辐照和注入试验,试验证明该注入方法能够准确替代连续波辐照效应试验．进而,理论分析耦合装置的特性并对该装置进行改进,提高其工程实用性．最后,设计耦合装置的指标并计算了对应的散射矩阵,制作完成注入装置的样机．结果表明：耦合装置监测端电压与等效源之间的关系会受到受试设备状态的影响．将两单定向耦合器级联作为注入装置,并以监测端的功率作为等效依据,可保证监测结果在高频时不受线缆上驻波的影响,提高试验的准确性．     

无人机配载弹射式导弹静稳定性分析

通过刚体飞行六自由度动力学方程建立弹射式导弹初始段无控飞行模型,并结合弹射装置动力模型和导弹发动机推力模型进行仿真计算。基于无控飞行模型和仿真结果分析了无人机配载弹射式导弹发射特性,在导弹初始飞行段对机弹分离安全性和导弹姿态控制要求进行了研究。对导弹不同静稳定度下的运动特性对比分析,分别给出了满足各种安全和控制要求的导弹静稳定度范围。进一步综合所有安全和姿态控制要求,得到了满足所有要求的最佳静稳定度。经过一个实例的仿真研究,结果表明建立的模型与所用到的方法是合理有效的。     

强磁场环境模拟系统线圈支架设计及力学仿真

强电磁冲击环境的核心执行机构是线圈,除保障强磁环境发生线圈的电磁特性外,还须确保线圈支架具有充足的机械特性。在完成对线圈磁电设计的基础上,根据线圈的三维结构图、材料配置、质量分布、各零部件之间连接方式以及线圈固定方式等,建立线圈支架结构整体系统有限元计算模型,对线圈支架系统进行静力、稳定性数值计算分析,并校核联接件强度,为线圈支架结构提供参考依据。对实用大型强磁冲击系统所用线圈整体的力学结构进行设计分析,应用背景较新,且仿真计算过程严格按照实际搭建尺寸进行,具有高度的一致性,为后续搭建强磁环境发生装置提供坚实基础。     

Theoretical and numerical simulation study on jet formation and penetration of different liner structures driven by electromagnetic pressure

The use of a shaped liner driven by electromagnetic force is a new means of forming jets. To study the mechanism of jet formation driven by electromagnetic force, we considered the current skin effect and the characteristics of electromagnetic loading and established a coupling model of"Electric—Magnetic—Force"and the theoretical model of jet formation under electromagnetic force. The jet formation and penetration of conical and trumpet liners have been calculated. Then, a numerical simulation of liner collapse under electromagnetic force, jet generation, and the stretching motion were performed using an ANSYS multiphysics processor. The calculated jet velocity, jet shape, and depth of penetration were consistent with the experimental results, with a relative error of less than 10％. In addition, we calculated the jet formation of different curvature trumpet liners driven by the same loading condition and ob-tained the influence rule of the curvature of the liner on jet formation. Results show that the theoretical model and the ANSYS multiphysics numerical method can effectively calculate the jet formation of liners driven by electromagnetic force, and in a certain range, the greater the curvature of the liner is, the greater the jet velocity is.     

正规形法在弹箭非线性运动分析中的应用

非线性气动力对弹箭运动特性具有重要影响,而其复杂性和有效分析工具的缺乏往往制约了弹箭非线性运动理论的发展.为探索正规形方法在弹箭非线性运动分析中的应用,构造了考虑二次非线性阻尼和七次非线性静力矩下攻角方程的正规形,进而求得攻角的通用解析解,通过数值积分验证了其在较大攻角范围内的有效性,该解析解也同样适用于无阻尼角运动和...     

单点系泊船舶Hopf分岔的试验研究

对单点系泊船舶的Hopf分岔现象进行了试验研究.给出了试验方法和过程;探讨了不同来流速度和系缆长度对于船舶动力学响应的影响.试验表明,船模运动呈现出典型的非线性特征,观察到了吸引子的共存,平衡点稳定性丧失和Hopf分岔现象.利用振动衰减系数计算了Hopf分岔值,与试验结果相比较,具有良好的一致性.得到了试验条件下的Hopf分岔集,指出其对于系泊系统的设计是有指导意义的.     

基于Theta-D次优控制器设计的相对姿轨耦合控制

针对在轨服务航天器的快速机动和姿轨协同控制的特点,研究了基于姿轨耦合一体化模型的最优控制方法。建立了包括转动和平动的六自由度相对运动耦合非线性模型,连续偏心推力矢量既可以提供位置控制力,也可以输出姿态控制转矩。利用动态模型线性化方法和θ-D构造性优化算法给出相对运动姿轨耦合最优控制问题的数值解法,同时控制服务航天器相对位置和相对姿态,使其直线逼近一个失效慢旋目标。仿真结果证明,由于在动态优化问题中采用了构造性求解,所提方法在保证相对运动稳定和动态性能的前提下计算量小,对未来应用具有一定现实意义。