基于CFD气动模拟的翼伞系统动力学建模

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翼伞是一种前缘有缺口,利用冲压空气维持气动外形的柔性飞行器,具备良好的滑翔性与操控性,因而广泛应用于军事、民用、航天等领域。为提高翼伞归航的准确性,建立翼伞系统动力学模型,以此预测翼伞的飞行性能具有重要意义。针对传统翼伞模型的气动方程存在的适用范围与计算精度的限制,本文提出基于计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)进行翼伞气动计算的方法,并从影响翼伞气动性能的外因风雨环境与内因襟翼偏转展开研究,主要内容如下:  (1)根据Kirchhoff方程,分析翼伞质量与受力情况,初步建立翼伞系统6-dof动力学模型,并对模型气动计算部分进行改进,采取基于CFD数值模拟的翼伞气动性能分析方案,以提高模型的准确性与适用性。  (2)风雨环境对翼伞气动性能的影响,主要表现在风荷载、雨荷载、雨膜、等效作用点等因素。采用CFD技术模拟风雨环境,通过网格速度模拟风场、多相流模拟降雨、动网格模拟翼伞姿态,并求解时均Naiver-Stokes方程,分析翼伞在风雨环境下气动性能的变化,以此修正风雨环境下的翼伞气动方程。  (3)襟翼偏转对翼伞气动性能的影响,主要表现在空气绕流改变带来的附加升力、阻力等因素。采用CFD技术模拟襟翼偏转,通过动网格模拟翼伞外形与姿态变化,并求解时均Naiver-Stokes方程,分析翼伞在襟翼偏转下气动性能的变化,以此修正襟翼偏转下的翼伞气动方程。  (4)综合风雨环境与襟翼偏转的影响,实现翼伞气动方程最终修正,并带入初步建立的翼伞模型进行补充与完善,完成了本文翼伞系统动力学建模工作。通过模型仿真与空投试验的数据可知,两者对翼伞飞行性能的描述较为接近,从而验证所建翼伞模型的有效性。  结果表明,基于CFD气动模拟的翼伞系统动力学模型,对翼伞的飞行性能具有较好的预测能力,为复杂环境下翼伞精确建模提供参考。
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