【摘要】：隨著航天事業(yè)的發(fā)展,我國在天氣良好狀況下的載人飛船返回艙回收技術已經(jīng)十分成熟。由于還無法全面評估不良天氣對航天活動造成的威脅,到目前為止載人返回活動在遇到不良天氣時往往會推遲或取消。本文以掌握不良天氣條件對回收著陸系統(tǒng)的性能影響、實現(xiàn)我國載人返回艙的全天候回收為應用背景,開展了降雨條件下的傘衣面雨滴分布規(guī)律以及降落傘穩(wěn)降階段的流固耦合效應研究。主要研究內容如下:研究了降雨環(huán)境數(shù)值建模問題。將空氣看作連續(xù)相,雨滴作為離散相,利用包含離散相的Euler-Lagrange兩相流理論建立了空氣與雨滴粒子之間的聯(lián)系。在離散相模型中,假設雨滴均為球形顆粒,包含降雨環(huán)境中的降雨強度、雨滴譜分布、雨滴末速度等關鍵參數(shù),通過改變球形粒子直徑、發(fā)射面的雨滴粒子數(shù)目、粒子相對氣流的發(fā)射速度和質量流率這些參數(shù)實現(xiàn)對多種工況中不同降雨環(huán)境的模擬。研究了暴雨環(huán)境下半球形降落傘傘衣面上的雨滴粒子分布規(guī)律。基于傘衣面上是否形成水膜的不同假設,開展了多種工況下的傘衣面上雨滴粒子分布數(shù)值仿真工作。假設雨滴粒子不會在傘衣面上形成水膜時,雨滴粒子到達傘衣面上即被傘衣面捕獲,并終止雨滴粒子軌跡的仿真計算。假設雨滴粒子會在傘衣面上形成水膜時,加入Lagrangian液膜模型,并考慮雨滴粒子與傘衣面碰撞之后的粒子濺射、液膜受氣流作用發(fā)生移動等物理現(xiàn)象。研究了小雨環(huán)境下環(huán)帆型降落傘傘衣面上的雨滴粒子分布特征。根據(jù)“神舟”飛船主降落傘的幾何結構和返回艙主著陸區(qū)的常年降雨特征,從降雨環(huán)境中傘衣面上形成水膜和沒有形成水膜兩個方面,開展了小雨環(huán)境下環(huán)帆傘傘衣面上雨滴粒子分布特征的研究,分析了環(huán)帆型降落傘與半球形降落傘由于在結構上的不同造成的傘衣面上雨滴粒子分布特征差異。研究了環(huán)帆型降落傘在穩(wěn)降階段的流固耦合效應。在MpCCI(Mesh-based parallel Code Coupling Interface)鮮有應用于降落傘流固耦合研究的背景下,本文把MpCCI作為數(shù)據(jù)傳遞平臺,結合非線性有限元分析軟件Abaqus和計算流體力學軟件Fluent對環(huán)帆型降落傘的流固耦合效應進行了仿真。主要模擬了環(huán)帆傘在降落過程中出現(xiàn)的“呼吸運動”現(xiàn)象,分析了環(huán)帆傘“呼吸運動”的周期性變化規(guī)律,并從環(huán)帆傘流場中的壓力場、速度場分布和傘衣結構變形兩個方面研究了降落傘“呼吸運動”過程。仿真過程中,通過自編程序彌補了MpCCI平臺本身存在的一些缺陷。對環(huán)帆傘穩(wěn)降階段流固耦合效應的研究,驗證了MpCCI應用于降落傘流固耦合研究領域中的可行性。總之,本文首先利用所建立的降雨數(shù)值仿真環(huán)境,對暴雨環(huán)境下半球形降落傘和小雨環(huán)境下環(huán)帆型降落傘傘衣面上的雨滴分布特征進行了數(shù)值仿真研究。然后,利用MpCCI平臺研究了環(huán)帆型降落傘在穩(wěn)降階段的流固耦合現(xiàn)象。所做工作為將來進一步開展同時考慮流固耦合效應和降雨環(huán)境影響的降落傘性能研究提供一定的參考。
【學位授予單位】：國防科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O353.4

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本文編號：2752504