超音速,高超音速飞行器动导数的高效计算方法

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1、第38卷第3期航空计算技术V01．38No．32008年5月AeronauticalComputingTechniqueMalv．2008超音速、高超音速飞行器动导数的高效计算方法卢学成，叶正寅，张伟伟(西北工业大学翼型叶栅空气动力学国防科技重点实验室，陕西西安710072)摘要：将超音速、高超音速气动力工程计算方法综合起来，推广到非定常气动力的计算，并用于求解任意外形飞行器作强迫运动时的非定常气动力。在此基础上进一步发展了一种适合于超音速、高超音速大迎角状态的飞行器动导数计算方法和程序。计算结果与国际标准实验数据作了比较，证明了

2、该程序的正确性和精度。研究了减缩频率和基本迎角对动导数的影响，结果表明基本迎角对动稳定性导数影响较大，而减缩频率在小迎角范围内对动导数影响很小。关键词：动导数；超音速；高超音速；工程方法中图分类号：V211文献标识码：A文章编号：1671—654X(2008)03—0028—04引言一种适合于超音速、高超音速大迎角状态下的动导数高效计算方法，计算了某一标准模型的动导数特性，并飞行器的动导数是设计飞行器导航系统和控制系与实验结果作了比较。统以及动态品质分析所不可缺少的原始气动参数。随着现在先进战斗机和导弹飞行包线的扩展，以及大迎1非

3、定常气动力的计算角和带侧滑情况下的机动飞行等，人们对复杂流场中20世纪中叶，美国和前苏联的一些空气动力学家的飞行器动稳定性研究更加重视。近年来高超声速飞研究了超音速、高超音速无粘流的一些基本规律，奠定行器得到国内外的广泛关注，而高超声速飞行器的飞了该领域的理论基础，为超音速和高超音速飞行器的行品质和操稳特性的分析以及控制律的设计是很重要发展开辟了道路。他们基于超音速、高超音速无粘流的研究内容，因此，动导数的获得是面临的一项重要工的分析，提出了许多气动力的预测方法。这些方法包作。括牛顿法、切楔／切锥法、激波膨胀波法、活塞理论飞行试验

4、，风洞实验以及理论计算是目前获取动等_l卜]，在其适用范围内能快速地给出较为准确的压导数的主要方法。飞行试验和风洞实验的难度大、周期长、费用高。尤其是高超声速飞行器的动导数风洞力分布和气动特性，可以用于超音速、高超音速飞行器试验，更是一项难度很大的工作，所以，通过数值计算的概念研究和初步设计。上述这些工程方法大都只需给出飞行马赫数和气获得高超声速动导数是一种最理想的方式。经典的动流与物面的碰撞角即可确定物面的压力分布。文献导数计算方法_l-2主要采用基于线化理论的气动力模[9]研究表明牛顿法适用于钝头体或大迎角气动力的型，如线化升

5、力面方法和细长体理论，不能考虑到各种计算，即较大的气流碰撞角；其它方法在钝头处会碰到非线性效应。20世纪90年代以来，CFD(Computation—奇异性；牛顿法在小碰撞角度或背风处给出的压力计alFluidDynamics)技术已经逐步用于动导数的计算结果小于实际值；切楔法等在超音速、小碰撞角的情算-s3。这种基于CFD技术的数值方法可以考虑到况下给出的计算结果和实验值或数值计算结果吻合很流场的非线性特性，开展复杂外形的气动力计算，但其好。主要局限性在于计算量大，不能很快满足型号设计的在文献[9]的基础上，将各种工程方法综合起

6、来要求。求解的飞行器气动力，大碰撞角采用牛顿法，小碰撞角本文在文献[9—10]的基础上，将适合于超音速、采用切楔／切锥法，背风区采用活塞理论。牛顿法和切高超音速气动力计算的各种工程方法综合起来，用于锥法的结合采用黑姆一巴克公式，背风区的流动膨求解复杂外形飞行器的非定常气动力。基于此发展了收稿日期：2007．11．20修订日期：2008—03—31基金项目：陕西省自然科学基金(2007A22)作者简介：卢学成(1983一)，男，甘肃金昌人，硕士研究生，研究方向为飞行器设计空气动力学。维普资讯http://www.cqvip.com2

7、008年5月卢学成等：超音速、高超音速飞行器动导数的高效计算方法胀局域，计算压力为负时取零。力矩。高马赫数流动中的边界条件对流场影响的当地效公式(5)和(6)实际上是对作小振幅强迫俯仰振应较强，即某点的扰动依赖域较小，仅在它的前马赫锥动的刚体飞行器所受非定常气动力矩分别做了傅立叶内，马赫数越大，锥角越小。对于超音速、高超音速动展开和泰勒展开。导数计算而言，非定常扰动的滞后效应较弱，并且相对为简单起见，简化处理刚体飞行器强迫振动的模于定常扰动是一个小量，本文采用如下方法计算超音型运动方程为：速、高超音速非定常气动力：将飞行器振荡速度

8、迭加到0=0osin(o)t)来流速度上，最终影响到当地的气流碰撞角，接着与求=o)00COS(o)t)=∞：解定常气动力一样，通过马赫数和当地气流碰撞角得=一00sin(oat)=由：(7)出气动力分布。A=0=0osin(o)t)下面简要列出本