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飞行器大振幅运动非定常空气动力特性研究

作　者: 黄达
导　师: 赵宁
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 流体力学
关键词: 大振幅试验非定常空气动力洞壁干扰动导数仿真数学模型模糊逻辑空气动力模型飞行仿真
分类号: V211.5
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

本文分三个部分研究飞机大振幅运动非定常空气动力特性。第一部分为风洞实验技术;第二部分为飞机非定常空气动力特性和空气动力模型;第三部分为飞机非定常空气动力特性对机动飞行特性的影响。首先,在南京航空航天大学NH-2低速风洞研制了一套两自由度大振幅运动动态实验台。该实验台不仅能实现模型绕体轴大振幅单自由度俯仰、偏航、滚转运动,而且能实现模型偏航滚转耦合运动和俯仰滚转耦合运动,满足飞机大振幅耦合运动风洞试验的需要。通过调节耦合运动时偏航滚转运动的振幅,可以实现模型绕速度轴的无侧滑转动运动。采用几何外形相似的大中小3个三角翼模型,研究了非定常空气动力的洞壁干扰问题。研究表明,模型阻塞度为4.87%的模型,洞壁对模型法向力的最大干扰量约为4.1%。本文还研究了动导数仿真方法,运用大振幅运动风洞试验数据进行动导数仿真,并与常规动导数试验结果进行了比较。研究表明,动导数仿真方法是一种获得飞机动导数的新方法,通过实验结果对比,证明仿真数据可信。它的优点是使大振幅实验与小振幅动导数实验有机地统一为一种实验方法(大振幅非定常实验)。在上述研究结果的基础上,分析研究了BJ-1和BJ-2飞机模型的单自由度和偏航滚转耦合运动的非定常空气动力特性。研究表明,耦合运动非定常空气动力特性与单自由度运动非定常空气动力特性有质的差别,在中大迎角范围内,单自由度运动空气动力线性叠加结果与耦合运动试验结果在阻尼特性方面会出现相反的结果。同时表明,本文所研究的两种布局的飞机在大迎角耦合运动非定常气动特性方面也存在较大的差别。其次,为了能把非定常空气动力风洞试验结果方便应用于飞行器机动飞行动态特性的分析研究中,对空气动力模型和非定常空气动力建模方法进行了研究。本文采用模糊逻辑原理进行建模,该方法的优点在于建模变量不受限制,建模过程为纯数学过程,模型建立后,计算非定常空气动力简便,便于推广运用。通过对定常、单自由度非定常、耦合运动非定常气动力建模结果与试验结果比较表明,两者符合较好,建模结果能反映气动特性本质。在非定常空气动力建模的基础上,研究了大迎角空气动力线性叠加模型的适用性。研究表明,当模型迎角达到中大迎角区后,线性叠加模型不再适用。表现在叠加模型的空气动力在阻尼特性方面与耦合运动风洞试验非定常空气动力相反。最后,研究了大迎角非定常空气动力对飞行稳定性的影响。采用六自由度方程,分别运用叠加模型的空气动力和耦合运动风洞试验的空气动力进行飞行仿真,比较上述两种气动模型的仿真结果。结果表明,由于两种模型产生的非定常空气动力在阻尼特性方面有相反的结果,使得仿真结果差别很大,具体表现在,叠加模型使仿真结果趋于稳定,而非定常空气动力模型使仿真结果趋于不稳定。这一结果也解释了F-16飞机在大迎角飞行试验中出现的横向左右摆动的现象。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-16
第一章绪论  16-22
  1.1 研究背景  16-17
  1.2 三大问题的研究现状  17-20
    1.2.1 大迎角大振幅非定常空气动力试验与特性  17-18
    1.2.2 空气动力数学模型与非定常空气动力建模  18-19
    1.2.3 大迎角非线性飞行稳定性仿真  19-20
  1.3 本文关注的问题及论文的结构安排  20-22
第二章大振幅运动实验设备与实验技术  22-31
  2.1 两自由度动态实验台  22-25
  2.2 风洞与六分量应变天平  25-26
  2.3 偏航滚转耦合运动试验参数选择  26-27
  2.4 非定常空气动力数据采集和处理  27-30
    2.4.1 数据采集系统  27-28
    2.4.2 数字滤波器  28-29
    2.4.3 空气动力数据处理  29-30
  2.5 小结  30-31
第三章非定常空气动力洞壁干扰  31-40
  3.1 实验与数据处理  31-33
  3.2 试验结果与分析  33-37
    3.2.1 大小模型非定常壁压特性  33-34
    3.2.2 洞壁压力迟滞特性  34-36
    3.2.3 非定常测力结果  36-37
    3.2.4 雷诺数影响  37
  3.3 洞壁干扰修正  37-38
  3.4 小结  38-40
第四章大振幅实验与常规动导数实验相关性  40-51
  4.1 大振幅振动动态试验  40-42
  4.2 非定常空气动力建模  42
  4.3 动导数仿真  42-46
    4.3.1 俯仰运动纵向阻尼导数仿真  42-44
    4.3.2 滚转运动动导数仿真  44-45
    4.3.3 偏航运动动导数仿真  45-46
    4.3.4 动导数仿真的优点  46
  4.4 结果分析  46-50
  4.5 小结  50-51
第五章战斗机非定常空气动力特性  51-61
  5.1 单自由度运动气动特性  51-56
    5.1.1 单自由度俯仰运动气动特性  51-53
    5.1.2 单自由度偏航运动气动特性  53-54
    5.1.3 单自由度滚转运动气动特性  54
    5.1.4 模型支撑迎角对单自由度运动气动特性的影响  54-55
    5.1.5 模型振动频率对单自由度运动气动特性的影响  55-56
    5.1.6 模型滚转运动振幅的影响  56
  5.2 耦合运动气动特性  56-57
  5.3 两种布局飞机动态气动特性比较  57-60
  5.4 小结  60-61
第六章非定常空气动力建模  61-70
  6.1 模糊逻辑建模原理  61-64
    6.1.1 模糊逻辑模型  61-63
    6.1.2 参数辩识  63-64
    6.1.3 结构辩识  64
  6.2 静态试验数据建模  64-66
  6.3 动态试验数据建模  66-69
    6.3.1 单自由度运动气动力建模  66-68
    6.3.2 耦合运动气动力建模  68-69
  6.4 小结  69-70
第七章大迎角线性叠加模型适用性  70-77
  7.1 模型和风洞试验  70-71
  7.2 气动力建模和动导数仿真  71
  7.3 准定常气动力叠加  71-73
  7.4 非定常气动力叠加  73-74
  7.5 BJ-1 飞机和 BJ-2 飞机准定常气动力叠加比较  74-76
  7.6 小结  76-77
第八章大迎角非定常迟滞特性对飞机机动特性的影响  77-94
  8.1 飞行仿真的基本方法  78-81
    8.1.1 飞行仿真的基本方程  78-79
    8.1.2 空气动力模型  79
    8.1.3 耦合运动非定常空气动力建模  79-80
    8.1.4 等效缩减频率  80-81
  8.2 仿真结果比较  81-92
    8.2.1 纵向正弦振荡、横向小扰动飞行仿真  81-84
    8.2.2 纵向正弦小幅振荡、横向小扰动飞行仿真  84-86
    8.2.3 大迎角飞行、协调舵偏飞行仿真  86-88
    8.2.4 考虑静态稳定性加大的大迎角飞行、协调舵偏飞行仿真  88-90
    8.2.5 考虑旋转天平试验导数的大迎角飞行、协调舵偏飞行仿真  90-92
  8.3 小结  92-94
第九章总结  94-96
  9.1 本文的主要工作  94-95
  9.2 进一步的研究工作  95-96
参考文献  96-103
致谢  103-104
在学期间的研究成果及发表的学术论文  104-105
附录一  105-110
附录二  110-119

飞行器大振幅运动非定常空气动力特性研究

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