弹射座椅气动参数的数值计算

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1、２００７年６月中国工程科学Jun．２００７第９卷第６期EngineeringScienceVol畅９No畅６学术论文弹射座椅气动参数的数值计算郁嘉，林贵平（北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京　１０００８３）［摘要］　为了解决弹射座椅研究中风洞试验不足和气动参数缺乏的问题，尝试了采用计算流体力学（CFD）方法，利用CFD计算软件Fluent求解N－S方程，对弹射座椅的外流场进行数值计算，求得了弹射座椅不同姿态下的气动参数值，并将部分气动参数与风洞试验的测量值进行了对比，结果发现，计算结果与试验值的变

2、化趋势完全相同，大多数计算值与试验值的误差都在１０％以内，能够满足工程计算的需要，可以作为试验值的补充和替代。通过CFD方法在弹射座椅气动参数计算中的应用，可以看到CFD方法在弹射座椅的研究中有着广阔的应用前景。［关键词］　弹射座椅；救生系统；计算流体力学（CFD）；气动参数计算［中图分类号］O３５；V２４４畅２１　　［文献标识码］A［文章编号］１００９－１７４２（２００７）０６－００５３－０５随着航空科技的发展，战斗机性能得到了很大深入分析。除了研究定常流动和座椅在空中自由飞提高。伴随飞机飞行性能的提

3、高，对弹射座椅救生行状态以外，还开展了座椅离机过程中机身与座椅性能的要求也越来越高，对弹射座椅姿态轨迹控制之间的相互干扰以及非定常流动问题的研究。美国的研究需要大量气动参数的支持。传统的获取气动海军武器中心（NAWC）飞机局还资助CFD研究公参数的方法主要是对座椅进行风洞吹风试验测量，司（CFDResearchCorporation）具体承担飞机弹射救耗费大量的人力物力，而且受到试验条件和设备的生系统气动数值模拟研究项目，经过近１０年的努制约，所获得的气动参数的数量无法满足研究的需力，成功开发出两套基于

4、N－S方程的弹射救生系要。如何得到大量的气动参数已经成为弹射座椅姿统气动数值模拟与分析软件平台，即CFD－ACE态轨迹控制研究中亟需解决的首要问题。随着２０和CFD－FASTRAN和配套的前后置处理软件，进世纪９０年代以来计算流体力学（computationalfluid行广泛的数值计算和具体型号应用，现已投入工程［３］dynamics，CFD）技术的发展，利用数值模拟方法应用，在同类计算中处于领先水平。获得弹射座椅的气动参数成为可能。从９０年代初国内在这方面还处于起步阶段，CFD技术在弹开始，国外就开

5、始尝试用数值方法研究座椅气动特射座椅气动特性上的研究基本上是个空白。笔者尝性，其发展过程经历了从二维到三维、从求解欧拉试将CFD技术应用到弹射座椅的气动特性研究中。方程、附面层的N－S方程到求解全流场N－S方１　计算原理程的数值方法。目前，CFD已经成功用于座椅气动特性的计算，包括亚声速、跨声速和超声速气动特1畅1计算原理及过程性的计算。美国海军和英国Martin－Baker公司曾用计算流体力学方法对弹射座椅的外流场进行［１］用CFD方法对ACES－Ⅱ座椅气动性能、座舱抛计算就是采用数值计算的方法对描述

6、弹射座椅外流［２］盖过程、弹射过程中头盔的气动特性等专题做过场的控制方程进行求解。描述流体流动一般采用［收稿日期］　２００５－１１－１５；修回日期　２００６－０７－１７［基金项目］　航空基础科学基金资助项目（０３E５１０４８）［作者简介］　郁嘉（１９７９－），男，上海市人，北京航空航天大学博士研究生５４中国工程科学第９卷Navier－Stokes方程，简称N－S方程。对N－S方域则使用比较粗的网格，在保证网格整体质量的前程求解可使计算结果能够更好地反映真实的流场。提下尽量减小网格数目，以减少计算量及收敛

7、的稳对N－S方程的求解采用有限容积法，首先建定性。网格从密到疏的过程要缓和，以保证物理量立弹射座椅的几何外形，在此基础之上进行网格划的光滑过渡。在此原则下最终划分出来的网格单元４分，以每一个网格单元为一个控制容积，通过对控数约为１２０×１０。弹射座椅的表面网格见图２。制容积的积分得到离散方程，然后对离散方程进行迭代求解。1畅2建立弹射座椅几何模型弹射座椅的几何外形非常复杂，因此弹射座椅的几何建模采用了工程CAD软件，借助CAD软件强大的几何建模功能，可以很方便地建立弹射座椅的几何模型。由于弹射座椅外形复

8、杂，为了后面的网格划分和流场计算，必须对模型进行适当的简化，去掉一些不必要的细小部件，只保留那些对流场影响较大的部分。另外，将座椅近似看成左右对图2弹射座椅的表面网格称的模型，以方便模型的建立。图１是用CAD软Fig畅２　Surfacemeshofejectionseat件建立的弹射座椅几何模型。1畅4边界条件和计算方法边界条件是在求解区域上求解的变量或其一阶导数随地点和时间的变化规律。由于是对弹射座椅的外流场进行计算，因此计算流域采用了球