本文關(guān)鍵詞：基于SPH的飛行器水上迫降數(shù)值模擬方法與應(yīng)用

  更多相關(guān)文章： 水上迫降 光滑粒子動(dòng)力學(xué) 流固耦合 飛行器 數(shù)值模擬

【摘要】：飛行器水上迫降性能作為衡量其安全性的重要指標(biāo),其實(shí)質(zhì)為入水沖擊這類非線性大變形流固耦合的復(fù)雜問(wèn)題,研究有效的數(shù)值模擬工具具有重大的意義。本文為了很好的模擬入水問(wèn)題的非定常性、非線性以及伴隨的噴濺現(xiàn)象,開發(fā)了一種基于光滑粒子動(dòng)力學(xué)(SPH)的數(shù)值模擬軟件,應(yīng)用于研究包括直升機(jī)和客機(jī)等飛行器水上迫降問(wèn)題,具有重大的工程應(yīng)用價(jià)值。本文首先從積分插值出發(fā),詳細(xì)介紹了SPH方法的基本原理,并推導(dǎo)了SPH形式的流體力學(xué)基本方程,采用了一種虛擬粒子填補(bǔ)流體粒子支持域被邊界截?cái)嗟膮^(qū)域的邊界處理方法,可以有效的模擬復(fù)雜形狀的邊界。同時(shí)在模擬飛行器剛體運(yùn)動(dòng)時(shí),采用了四元數(shù)法描述機(jī)體運(yùn)動(dòng)學(xué)方程,避免了求解剛體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)時(shí)出現(xiàn)奇點(diǎn)問(wèn)題。在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中,根據(jù)需求分析確定軟件總體設(shè)計(jì)方案包含數(shù)據(jù)輸入、粒子生成、SPH求解、運(yùn)動(dòng)規(guī)律求解、計(jì)算過(guò)程監(jiān)控與結(jié)果輸出和人機(jī)交互界面六大功能模塊。同時(shí)發(fā)展了一種Verlet-list和Cell-list相結(jié)合的鄰近粒子搜索算法并且采用基于Morton Key/Z-curve order的順序?qū)αＷ舆M(jìn)行排序,很大程度提高了軟件的效率。此外,為了提高軟件穩(wěn)定性,采用包括拉伸不穩(wěn)定修正、核函數(shù)正則化修正和密度重構(gòu)的方法,效果顯著。論文采用二維潰壩、二維楔形體入水、三維潰壩以及返回艙著水問(wèn)題為算例,驗(yàn)證了算法和軟件的準(zhǔn)確性、穩(wěn)健性和解決復(fù)雜問(wèn)題的能力。本文最后應(yīng)用開發(fā)的數(shù)值模擬軟件研究了幾何外形復(fù)雜的直升機(jī)和民用客機(jī)的水上迫降問(wèn)題。對(duì)直升機(jī)縮比模型進(jìn)行了俯仰角分別為6°、8°和10°的帶有水平速度水上迫降模擬,得到了良好的水體噴濺效果以及準(zhǔn)確的過(guò)載數(shù)值;對(duì)DLR-F12的縮比模型進(jìn)行了水上迫降數(shù)值模擬,采用真實(shí)的下滑角條件,得到了令人滿意的結(jié)果。
【關(guān)鍵詞】：水上迫降 光滑粒子動(dòng)力學(xué) 流固耦合 飛行器 數(shù)值模擬
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V212
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-11
• 注釋表11-12
• 第一章 緒論12-21
• 1.1 研究背景與意義12-14
• 1.2 研究現(xiàn)狀14-18
• 1.3 現(xiàn)有數(shù)值模擬方法對(duì)比18-20
• 1.4 本文主要工作20-21
• 第二章SPH方法的基本理論21-32
• 2.1 SPH方法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)21-23
• 2.1.1 任意函數(shù)的核近似21-22
• 2.1.2 核函數(shù)類型22-23
• 2.2 流體控制方程的SPH離散求解23-30
• 2.2.1 拉格朗日型N-S方程23-24
• 2.2.2 連續(xù)方程24
• 2.2.3 動(dòng)量方程24-25
• 2.2.4 能量方程25-26
• 2.2.5 人工壓縮性26
• 2.2.6 粒子運(yùn)動(dòng)方程26-27
• 2.2.7 邊界處理27-28
• 2.2.8 時(shí)間積分28-30
• 2.3 SPH方法穩(wěn)定性改進(jìn)措施30-32
• 2.3.1 拉伸不穩(wěn)定修正30-31
• 2.3.2 核函數(shù)正則化修正31
• 2.3.3 密度重構(gòu)31-32
• 第三章 六自由度運(yùn)動(dòng)方程及求解32-39
• 3.1 六自由度運(yùn)動(dòng)方程32-35
• 3.1.1 坐標(biāo)系的定義及變換32-33
• 3.1.2 動(dòng)力學(xué)方程33-34
• 3.1.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)方程34-35
• 3.2 四元數(shù)方法35-36
• 3.3 四元數(shù)法表示的姿態(tài)角模型36
• 3.4 歐拉角和四元數(shù)的坐標(biāo)變化矩陣36-37
• 3.5 四元數(shù)微分方程37
• 3.6 運(yùn)動(dòng)方程求解37-39
• 第四章 基于SPH的飛行器水上迫降數(shù)值仿真軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)39-53
• 4.1 需求分析與總體設(shè)計(jì)39-44
• 4.1.1 需求分析39-42
• 4.1.2 總體設(shè)計(jì)42-44
• 4.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)44-48
• 4.2.1 程序模塊和主要類的設(shè)計(jì)44-46
• 4.2.2 核心計(jì)算層程序流程46-48
• 4.3 效率提高措施48-53
• 4.3.1 臨近粒子搜索算法48-50
• 4.3.2 基于Morton Key的粒子排序50-51
• 4.3.3 基于OpenMP的并行計(jì)算51-53
• 第五章 算例驗(yàn)證與應(yīng)用53-75
• 5.1 二維楔形體入水沖擊問(wèn)題53-56
• 5.2 三維潰壩及沖擊問(wèn)題56-57
• 5.3 返回艙著水沖擊問(wèn)題57-61
• 5.4 某型直升機(jī)水上迫降應(yīng)用實(shí)例61-69
• 5.5 民用飛機(jī)水上迫降應(yīng)用實(shí)例69-75
• 第六章 總結(jié)與展望75-77
• 6.1 工作總結(jié)75-76
• 6.2 工作展望76-77
• 參考文獻(xiàn)77-80
• 致謝80-81
• 在學(xué)期間的研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文81

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前8條

1 劉沛清;屈秋林;郭保東;金鑫;吳佳莉;張凱;;數(shù)值計(jì)算技術(shù)在飛機(jī)水上迫降中的應(yīng)用[J];力學(xué)與實(shí)踐;2014年03期

2 房紅軍;楊雷;;載人飛船返回艙著水沖擊問(wèn)題研究進(jìn)展[J];載人航天;2013年06期

3 Guo Baodong;Liu Peiqing;Qu Qiulin;Wang Jiawen;;Effect of pitch angle on initial stage of a transport airplane ditching[J];Chinese Journal of Aeronautics;2013年01期

4 ;The suction force effect analysis of large civil aircraft ditching[J];Science China(Technological Sciences);2012年10期

5 ;SIMULATION OF FLUID-SOLID INTERACTION ON WATER DITCHING OF AN AIRPLANE BY ALE METHOD[J];Journal of Hydrodynamics;2011年05期

6 劉謀斌;宗智;常建忠;;光滑粒子動(dòng)力學(xué)方法的發(fā)展與應(yīng)用[J];力學(xué)進(jìn)展;2011年02期

7 馬春生;黃世霖;張金換;杜匯良;;LS-DYNA的ALE方法在飛船返回艙著落仿真中的應(yīng)用[J];清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2006年08期

8 宣建明,繆弋,程軍,錢耀鑫,周正全,王衛(wèi)東;返回艙水上沖擊特性的試驗(yàn)研究與理論計(jì)算[J];水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展(A輯);2000年03期

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 龔凱;基于光滑質(zhì)點(diǎn)水動(dòng)力學(xué)(SPH)方法的自由表面流動(dòng)數(shù)值模擬研究[D];上海交通大學(xué);2009年

，

本文編號(hào)：944988