三角翼摇滚主动控制的数值模拟研究

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现代战斗机大攻角飞行时,气动力呈现强烈的非线性和非定常性,降低了飞行器纵向和横向不稳定性。由此,产生了包括机翼摇滚(wing rock)在内的多种飞行器动态稳定性问题。飞行器摇滚时,气动、运动和控制进一步耦合,影响战斗机作战效能,甚至威胁飞行器机动飞行的安全,限制了控制系统的性能。目前,国内外大量文献针对飞行器摇滚运动的开展了数值模拟研究和实验研究,形成了对摇滚现象和物理机理的基本认识。然而,涉及三角翼摇滚控制的文献较少,且多集中于对研究相关控制方法,缺乏对气动、运动和控制耦合的足够关注。本文针对三角翼摇滚问题,采用结构动态网格变形技术实现控制面的偏转,通过耦合求解N-S方程、刚体单自由度滚转动力学方程和经典控制律,实现对三角翼摇滚主动控制过程的数值模拟,开展三角翼摇滚与控制多学科耦合的动态特性数值模拟和分析,为实现三角翼摇滚控制提供支撑。首先,对于含运动边界的非定常问题,介绍了任意拉格朗日坐标下的流体运动方程,并引入“几何守恒律”对离散的方程进行修正,并建立单自由度滚转运动模型。其次,基于结构化动态网格技术,对超限插值(TFI)方法、径向基函数(RBF)方法和RBF_TFI方法开展了研究,建立相关网格运动程序。随后通过对三角翼自由滚转和NACA0012翼型强迫振荡的数值模拟验证了程序对动态问题和含动边界的非定常问题的计算能力。在此基础上,通过数值模拟分析了80度后掠带后缘舵三角翼的运动特性。耦合经典控制方法,开展三角翼摇滚主动控制方法的数值模拟研究,分析比较比例、比例微分控制器对三角翼摇滚运动的控制效果,为三角翼摇滚运动的多学科控制方法研究建立基础。
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