人椅系统的高速气流吹袭防护技术研究
随着飞机飞行速度不断提高,飞行员弹射时受到高速气流吹袭的损伤也随之增多,为了扩大弹射救生系统安全救生包线范围,需要对高速气流吹袭防护技术进行研究。随着计算流体力学(CFD)技术的广泛应用,及其具有提供丰富流场参数的特点,在国外已经成为分析高速气流吹袭防护问题的有效手段。国内对高速气流吹袭防护方面的数值模拟研究还处于起步阶段,本文采用数值模拟的方法研究了高速气流吹袭防护的原理,并对几种防护装置的防护特性进行了分析。
本文的研究工作主要有以下几方面:1)讨论了所采用的控制方程及其数值求解方法,发展了相应的求解器。控制方程采用非定常三维可压雷诺平均N-S方程,空间离散采用Jameson有限体积法的中心格式,并引入自适应的人工耗散模型。时间离散采用双时间步长推进法,并应用当地时间步长法加速收敛。采用基于SA-方程紊流模型的脱体涡模拟(DES)方法模拟流场中大分离的紊流流动。采用低速预处理方法应用N-S方程求解流场中的低速不可压流动。通过调用METIS软件分区和调用MPI库函数进行数据通信来实现并行计算。2)应用Solidwors软件绘制了复杂的有、无防护装置人椅系统的三维几何模型,然后应用ICEM前处理软件在计算域内生成了高质量的混合网格。应用解算器计算了某人椅系统的阻力特性,并与试验结果对比吻合较好。通过算例说明了DES方法适合计算人椅系统背风区大分离流场,验证了预处理方法和并行算法加速收敛。3)模拟了无防护即基本形态下人椅系统气动力特性,分析了飞行员身体各部位在高速气流吹袭时的受力情况及受伤害原因。讨论了相应的防护原理,分析了飞行员各肢体气动力系数变化规律,与试验结果对比变化趋势是一致的。4)模拟了有防护装置人椅系统及飞行员肢体在一定条件和姿态下的气动力特性,分析了飞行员身体表面压力分布,验证了高速气流吹袭防护的一般原则,深入分析了防护装置对飞行员肢体和胸腹部表面的防护效果。5)分析了人椅系统在空中自由飞阶段的受力状态,建立了六自由度运动方程。将六自由度方程与N-S方程耦合,并应用弹簧近似方法和局部网格重构方法生成动态非结构网格,非定常数值模拟了有、无防护的人椅系统气动力特性,与静态网格计算结果进行了比较。对比分析了抬腿机构和导流挡板在基于动态网格非定常状态下对人椅系统的防护效果,结果与静态网格的影响是一致的。6)建立了五种新尺寸的导流挡板模型,分别对其相应的人椅系统气动力特性进行了数值模拟,结果显示挡板尺寸变化对系统气动力影响较小,但对飞行员头颈部气动力和头部表面压力影响较大,减小了飞行员头颈部的升、阻力及头部表面压力,有效的保护了头颈部。
人椅系统;数值模拟;高速气流吹袭;防护装置;气动力特性
南京航空航天大学
博士
人机与环境工程
方贤德
2009
中文
V244.21;V244.17
2011-08-03（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）