基于微分进化的增升装置设计及重要性分析

在现代民用飞机初步设计阶段,快速设计出高气动性能的增升装置是民用飞机设计瓶颈因素.本文通过增升装置气动外形参数化和微分进化优化算法搭建民机低速构型一体化设计和优化平台,并引入参数化变量重要性测度分析方法,计算对于设计目标升力系数的影响程度大的因子,分析出缝道宽度和后掠角参数化变量对升力系数的影响起主要作用.优化设计结果表明:优化构型升力系数增加,失速迎角增大,并且大大的提高了优化效率.     

多段翼型吹气流动分离控制研究

基于雷诺平均Navier-Stokes粘性流动方程,采用数值模拟方法,分析了吹气控制对多段翼型气动性能的影响,阐述了吹气改善多段翼型流动的机理。采用有限体积法对雷诺平均Navier-Stokes方程进行空间离散,时间方向推进采用二阶迎风格式,湍流模型采用SST k-ω模型。结果表明:在多段翼型基础上采取吹气控制可以获得很好的气动增升效果,三段翼型的最大升力系数可达4.98;吹气可改善多段翼型表面流动,减小其流动分离,增加升力;在同样的吹气口几何参数条件下,在一定范围内增大吹气动量系数可以提高多段翼型的升力系数;在多段翼型主翼后段和襟翼同时施加吹气流动控制可以获得更好的效果,升力系数比基本三段翼型(基本构型A)增加30.05%。     

并列弹性双圆柱在均匀流场中的流体激励力的研究

实验研究了并列弹性双圆柱体在均匀流场中的水动力特性，其中包括柱表面稳态及脉动压力系数，稳态阻力及升力系数，脉动阻力和升力系数，结果表明：Ｖ＿ｒ＞Ｖ＿（ｒｃ）时，柱的振动对其流体激励力有明显影响。     

离心泵叶片边界层分离对水动力特性的影响

给出了离心泵叶片近壁表面流体粘性流动的分析方法,通过对叶片压力面边界层参数的计算和边界层分离的判断,确定分离型和流线型叶片型线,又通过对测试泵的性能对比试验,验证了叶片型线对水动力特性的影响,明确了这种影响主要体现在离心泵的水力效率、动力性能方面,并指出叶片形状的变化是导致其表面流体边界层分离点位置移动的主要原因,它决定了边界层是否分离,而过大的分离将使测试泵的性能下降,振动剧烈、噪声增大,并强调应重视边界层分析在叶片水力设计中的作用,同时给出了叶片型线水力设计的评价依据。所得结论对低比转速离心泵水动力特性的改善有参考价值。     

高压捕获翼前缘型线优化和分析

为分析翼前缘形状变化对高压捕获翼构型气动性能的影响,基于一种锥体组合捕获翼概念构型,采用幂次函数和余弦函数组合形式对翼前缘型线进行了参数化设计,在比较了多项式和径向基函数两种代理模型的拟合精度基础上,以飞行马赫数7,飞行攻角0° 为计算条件,结合使用均匀实验设计方法、计算流体力学、径向基函数代理模型方法和遗传算法,选择升阻比最大化为目标开展了数值优化,最后基于优化结果进行了单参数的灵敏度分析. 优化结果表明,相对于基准外形而言,优化后构型升力系数增大了约8.1%,阻力系数减小了约12.2%,升阻比提高了约23.4%. 此外,灵敏度分析结果表明升阻比与5 个设计参数均呈非线性关系,其中展向角度对升阻比影响最大,其次为幂次曲线的比例参数,其余3 个参数对升阻比的影响相对较弱.      

带有新型涡激振动抑制罩的圆柱体的水动力特性

通过模型实验和数值模拟计算,研究了带有涡激振动抑制罩的圆截面柱体的水动力特性.模型实验主要测试了柱体上附加谐波型和类圆锥型涡激振动抑制罩的单摆结构在不同流速下发生涡激振动的性质;数值模拟则针对谐波型和圆锥型扰动,在雷诺数Re为102到105范围内,研究其水动力参数,如阻力、升力和涡脱落频率等,随扰动波长和波动强度的变化.模型实验结果表明,在直圆柱开始发生共振的流速下,带抑制罩的柱体的振幅显著降低,而在更高流速下则显著增大.数值模拟结果表明,谐波型和圆锥型扰动具有相似的水动力特性;且在不同Re时,阻力、升力和涡脱落频率具有相似的变化规律;随波动强度的增大,阻力一般逐渐增大,升力则在多数情况下先减小而后增大,而涡脱落频率一般逐渐减小.      

定常及振荡流下带网半浸没浮筒载荷特性研究

与网衣混合黏连的半浸没浮筒是重力式养殖网箱常见的结构形式,其水动力载荷计算的准确性直接决定了服役网箱的结构安全.为了有效地获取作用于带网衣半浸没浮筒的水动力载荷,并揭示网衣对浮筒水动力载荷的影响,文章开展了带网衣半浸没浮筒模型和无网衣半浸没浮筒模型在定常流与振荡流下的水动力载荷实验,获取了不同定常流速及不同振荡流场工况下的水动力载荷,并利用最小二乘法识别不同流场下的水动力系数.实验结果显示,网衣结构的存在会极大地放大半浸没浮筒的水动力载荷及载荷系数,网衣对半浸没浮筒水动力载荷的影响不可忽略.进一步地,本文探究了Re数、Fr数、KC数以及Stokes数等相关参数对带网半浸没浮筒水动力载荷系数影响.综合发现,浮筒水动力载荷系数与Fr数表现出一定的相关关系,尤其是附加质量系数对Fr数显示出强依赖性;另外,网衣对水动力载荷和系数的放大程度同样与Fr数相关.本工作表明以往采用纯浮筒载荷系数进行带网半浸没浮筒载荷计算,将对网箱设计安全造成极大的风险,实际工程中应考虑网衣对半浸没浮筒的影响.     

基于实验设计方法的高超声速飞机前缘型线优化分析

为探索前缘线变化对吸气式高超声速飞机气动性能的影响,基于一种旁侧进气布局翼身融合体构型,在飞行马赫数6,攻角4°和高度26 km的巡航飞行条件下,结合运用增量修正参数化设计方法、均匀实验设计方法和计算流体力学模拟,分析了飞行器前缘型线与其升阻力系数及纵向压心等性能参数间的关系.计算结果表明,前缘线形状对飞行器升阻力系数明显高于其对纵向压心影响,设计空间范围内升力系数变化约21.3%,阻力系数变化约31.8%,升阻比变化范围约10.63%,但相对压心变化范围仅为3.87%.在此基础上,通过对典型构型物面压力分布进行分析,发现前缘线形状适当弯曲可利用飞行器下表面侧壁压缩产生的高压气流,利用二者的耦合效应使飞行器获得额外的升力增量.      

多体系统动力学动态最优化设计与灵敏度分析

基于多体系统的动态最优化设计过程包括传统的多体系统仿真分析、系统设计灵敏度分析、 系统最优化设计等过程, 针对多体系统运动学、用二阶常微分方程和微分代数方程描述 的动力学，基于含设计参数的通用数学模型及通用的积分型目标函数，采用高效的系统灵 敏度分析伴随变量方法及易于实施的惩罚函数最优设计方法，建立了多体系统最优设计数学 模型和算法. 通过双摆系统、曲柄-滑块系统、弹簧/阻尼器-滑块系统3个算例对上述 算法的有效性进行了验证.     

混合驱动水下滑翔机水动力参数辨识

与传统水下滑翔机相比,混合驱动水下滑翔机可以分别利用头部的浮力驱动单元和机身尾部的螺旋桨推进单元进行驱动从而实现不同形式的运动,具备低功耗、长航程、良好机动性等特点,具有广泛的应用前景. 准确的动力学模型以及精确的水动力参数是实现混合驱动水下滑翔机控制系统设计以及精确导航的基础. 在混合驱动水下滑翔机动力学模型已知的前提下获得准确的水动力参数是本文主要研究的问题. 本文以天津大学研制的混合驱动水下滑翔机“海燕” 作为研究对象,提出一种在有限航行参数条件下,基于大数据统计分析的计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD) 和参数辨识相结合来获取混合驱动水下滑翔机的水动力参数的方法. 即首先建立滑翔机的动力学模型,推导出稳态数据与所求水动力参数的关系;然后采用CFD 的方法得到其升力系数,根据大量稳态纯滑翔实验数据,结合大数据统计分析,辨识出其剩余水动力参数;最后,根据混合驱动模式下的实验数据辨识出与螺旋桨相关的参数,从而得到其整套的水动力参数. 该方法不仅结合了CFD 方法具有获取复杂外形结构航行水动力的特点,而且可以有效利用大量现场实验数据,因而能够更加准确地辨识其实际运动. 通过运动仿真与试验对比,验证了该辨识方法的正确性和有效性,对滑翔机的研究具有指导意义.      

基于多尺度法双稳态压电俘能器动力特性分析

基于欧拉-伯努利梁假设,推导了双稳态悬臂式压电俘能系统的分布参数模型,建立了分析该模型的多尺度法并获得了系统的动力响应解析表达式,论证了多尺度法分析双稳态压电俘能器性能的可行性;研究了磁铁间距、外部激励的幅值、阻尼比、力电耦合系数、负载阻抗等参数对俘能系统性能的影响。结果表明:产生阱间运动的激励幅值阈值与激励频率、两磁铁间距有关,低于激励阈值仅有阱内运动产生;输出功率并不是随着力电耦合系数增大而增加,而是存在最优力电耦合系数产生最大的输出功率,力电耦合系数大于最优值后,阱间运动输出功率减小;随着两磁铁间距的增大,阱间运动的频带宽度减小;减小系统的阻尼比可以有效地拓宽系统的阱间运动频带并获得较高的输出功率。通过优化设计、合理地调节各参数,可以提高压电俘能系统的输出功率和拓宽系统的工作频带宽度。     

黏性流体环境下Ⅴ型悬臂梁结构流固耦合振动特性研究

Ⅴ型悬臂梁结构在原子力显微镜、微纳机械传感器件中得到了广泛应用,该结构通常在黏性流体环境下实现精密检测、传感与性能表征,同时也会使得结构的流固耦合振动特性更为复杂,直接影响器件的动态性能.本文针对Ⅴ型结构变截面、变刚度等复杂几何特征,建立了黏性流体环境下Ⅴ型悬臂梁结构的流固耦合动力学模型,导出了基于截面孔宽比参数的梁结构的修正水动力函数,确定了截面孔宽比和频率参数影响下Ⅴ型悬臂梁结构的水动力函数;理论分析得到了黏性流体中Ⅴ型梁结构的频率响应特性.同时,设计了多种不同几何尺寸的Ⅴ型梁结构,并在水环境中开展了实验验证,结果表明,实验所得频率响应与理论分析结果吻合较好,验证了Ⅴ型梁结构水动力函数修正表达式及流固耦合动力学模型.此外,基于该流固耦合动力学模型,详细分析了不同流体黏度、Ⅴ型梁角度及尺寸变化对耦合系统振动特性的影响.     

黏性流体环境下V型悬臂梁结构流固耦合振动特性研究

V型悬臂梁结构在原子力显微镜、微纳机械传感器件中得到了广泛应用, 该结构通常在黏性流体环境下实现精密检测、传感与性能表征,同时也会使得结构的流固耦合振动特性更为复杂, 直接影响器件的动态性能.本文针对V型结构变截面、变刚度等复杂几何特征, 建立了黏性流体环境下V型悬臂梁结构的流固耦合动力学模型, 导出了基于截面孔宽比参数的梁结构的修正水动力函数, 确定了截面孔宽比和频率参数影响下V型悬臂梁结构的水动力函数;理论分析得到了黏性流体中V型梁结构的频率响应特性.同时, 设计了多种不同几何尺寸的V型梁结构, 并在水环境中开展了实验验证, 结果表明, 实验所得频率响应与理论分析结果吻合较好, 验证了V型梁结构水动力函数修正表达式及流固耦合动力学模型.此外, 基于该流固耦合动力学模型, 详细分析了不同流体黏度、V 型梁角度及尺寸变化对耦合系统振动特性的影响.      

规则波作用下垂直圆柱局部波浪力

在ＫＣ为４０～３５，雷诺数Ｒｅ为６×１０３～２×１０４参数范围内就规则波作用下垂直圆柱局部波浪力进行了实验研究．给出横向力随ＫＣ数类型变化的划分．基于Ｓｔｏｋｅｓ二阶波理论和Ｍｏｒｉｓｏｎ公式得到圆柱阻力系数ＣＤ，惯性力系数ＣＭ和最大升力系数ＣＬｍａｘ沿桩柱的分布及其随ＫＣ数的变化规律．结果表明，在波表面间歇区的桩柱的局部水动力系数变化显著，越向波峰位水动力系数ＣＤ和ＣＬｍａｘ越减小，而ＣＭ值却越增高．     

考虑跃迁的指数型炸药空爆荷载等效静载动力系数

为对比抗爆设计规范采用的线性荷载计算模式，建立了考虑跃迁的指数型衰减荷载表达式，通过爆炸荷载等效单自由度微分方程，求解了关于跃迁时长、超压峰值、指数型形状调整参数、结构自振频率与荷载作用时长的等效静载抗力动力系数表达式。根据跃迁时长与形状调整参数，分析了四种典型计算工况，结果表明:现行结构抗爆设计规范等冲量线性衰减荷载可设计范围明显偏小，动力系数在延性比β＜3.0下偏保守，而β≥3.0，wt₊＞1.4δ时偏不安全，最大偏低17.4%；跃迁时长比值越大，动力系数越大，跃迁时长比为1%～2%时，对动力系数影响程度为0.4～0.7%，指数型荷载形状调整参数对柔度特别大的结构动力系数无影响，对其它结构动力系数增大或减少影响程度不一。     

黏弹性准饱和土中球空腔动力特性

在频率域内研究了内水压力作用下分数导数型黏弹性准饱和土中球空腔的稳态动力响应. 通 过引入与孔隙率有关的应力系数合理地确定了介质和孔隙水共同承担的内水压力值. 将土骨 架和衬砌分别视为具有分数导数本构模型的黏弹性体和多孔柔性材料, 基于Biot两相介质模 型, 通过引入位移势函数解耦得到了内水压力作用下分数导数型黏弹性准饱和土中半封闭球 形空腔的位移、应力和孔隙水压力解析表达式. 考察了物性和几何各参数对球形空腔动力响 应的影响, 结果表明: 分数导数本构模型更合理地描述了土体的动力学行为; 饱和度对应力 和孔隙水压力影响较大, 而对位移影响较小.     

轴流泵参数化设计及应力与模态特征分析

以船用轴流式喷水推进泵为对象,探索了轴流泵参数化设计、水动力性能、静强度和结构声学特征分析的数值途径。轴流泵叶轮采用升力法设计,导叶采用流线法设计,叶片三维造型在NUMECA参数化设计平台中完成。轴流泵水动力性能校核由粘性CFD计算完成,CFD计算同时提取得到叶片分布式水动力载荷。叶片静强度校核由ANSYS有限元计算叶片应力和应变特征完成,应力分析时同时考虑水动力载荷、重力载荷和离心力载荷。叶片结构声学特征分析由NASTRAN有限元计算叶片模态振型和振型频率完成。计算结果表明,轴流泵扬程和功率满足设计指标,效率达87.13%;叶轮叶片形变相对于叶顶间隙来说为极小量,可忽略不计,叶片存在局部应力集中现象,最大应力小于许用应力,满足静强度要求;叶片前四阶振型特征与分析经验一致,且振型频率远离轴频、叶频及其谐频特征频率,能够避免共振产生。     

垂向双蝠鲼变攻角滑翔水动力性能研究

为了探究垂向间距和攻角对双蝠鲼在沿垂向分布集群滑翔时的水动力性能影响,根据蝠鲼的实际外形建立了蝠鲼计算模型,设置了4种间距排布即0.25, 0.5, 0.75, 1倍体厚排布以及9种攻角状态即-8°～8°,随后借助Fluent软件进行了双蝠鲼变攻角、变垂向间距的集群滑翔数值模拟,结合流场压力云图以及速度云图对集群系统平均升/阻力以及集群中各单体的升/阻力进行了分析.数值计算结果表明:双蝠鲼沿垂向分布在攻角范围为-8°～8°进行集群滑翔时系统平均阻力均高于单体滑翔时所受阻力.单体在集群滑翔过程中获得减阻收益,当双蝠鲼以负攻角集群滑翔时,下方蝠鲼阻力减小,且垂向间距越小,减阻效果越明显;当以正攻角集群滑翔时,上方蝠鲼获得减阻收益.当双蝠鲼以负攻角滑翔时,系统平均升力大于单体滑翔时所受升力;当双蝠鲼以负攻角滑翔时,系统平均升力小于单体滑翔时所受升力,系统平均升力几乎不受垂向间距影响.下方蝠鲼升力始终大于上方蝠鲼升力,但随着垂向间距的增大,升力差距逐渐减小.     

超空泡航行器升沉运动流体动力特性研究

基于Rayleigh—Plesset方程的单一介质可变密度Mixture模型,采用动坐标系法完成了对带空泡航行器作升沉运动时空化流场的数值模拟,并分析了该状态下航行器流体动力特性变化规律,对升沉运动频率和幅值对航行器流体动力系数的影响以及升沉运动对航行器自主运动弹道的影响进行了对比研究。研究结果表明,升沉运动过程中,航行器流体动力系数出现周期性变化,增加升沉运动频率和幅值不仅将导致航行阻力和升力增大,同时会造成阻力系数和升力系数幅值波动加剧;升沉运动使航行器速度及角速度出现周期性震荡。本文结论为研究超空泡航行器动力学建模、附加质量计算及弹道设计奠定了基础。     

基于数值模拟的有限翼展吹气控制研究

以大攻角下增加升力、减小阻力为目的,采用计算流体力学方法,针对在有限展长的三维机翼模型上进行的局部开口吹气控制进行了数值研究。利用结构网格及相应的非定常流计算方法对吹气流动控制进行了数值仿真,分析了吹气动量系数、吹气位置等参数(重点研究吹气口展向位置)对气动特性的影响。研究表明:应用吹气技术可获得较好的气动特性,且能延迟边界层的分离;当吹气动量系数为0.000216且吹气口位于0.2c～0.205c时,二维模型升力系数增加8.2%,阻力系数减小17.2%;当开口长度是有限三维模型翼展的1/5、吹气动量系数为0.003,并在z为2.1～2.4m处引入吹气控制时,三维模型的升力系数增加22.6%,升阻比增加9.5%;对于本文的三维有限翼展机翼模型,当吹气口位于z为2.1～2.4m时可以获得最好的控制效果。