有粘流中飞艇艇体气动力计算方法研究

摘要

空气动力直接影响到飞行器的飞行性能、操纵性能和稳定性，是航空领域一个重要的研究内容。本文以飞艇艇体气动力计算方法为主要研究内容，提出了一种基于瞬时平衡假设的非定常气动力系数计算方法。该方法可以通过计算不同速度下的稳态流场得到非定常的气动力系数，为飞艇非定常气动力系数的计算提供了一种简单可行的办法。文章主要包括以下内容:
　　（一）讨论了一种时变系统上输运方程的通用形式，在此基础上研究了流场动量定理的积分形式，将积分区域扩展到时变系统的情况，为后续研究流体动力理论提供基础。
　　（二）将流场动量定理的积分区域确定为从飞行器外表面到无穷远固定边界之间的流场区域，推导了流体动力表达式。该表达式包括两部分，流场扰动动量的导数项和无穷远边界处的压力积分项。然后讨论了基于Lamb思想的流体动力表达式和吴镇远在涡动力理论中的表达式，简要分析了两者在边界处压力积分处理的差异。
　　（三）追随Lamb的思想，在瞬时平衡假设下建立有粘流中流场扰动动量与运动体运动参数的联系，结合前面所建立的气动力与流场扰动动量关系，得到流体动力与运动体运动参数的函数关系，即获得有粘流中的流体动力系数算法。
　　（四）修正了Lamb在构建无粘流气动力系数算法中忽略系统时变性的瑕疵，使得将其方法推广到有粘流中时存在定常气动力。同时证明了，这个多出来的定常气动力，在无粘流中刚好等于零，Lamb忽视系统时变并不会对其无粘流气动力算法带来负面影响。
　　（五）根据提出的流体动力系数计算方法，针对具体参数的飞艇艇体，通过CFD技术求解有粘流中不同速度下的定常流场，通过数据差分拟合的方法求出有粘流中非定常气动力系数，并进行了数值仿真。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究意义

1．2 飞艇气动力研究历史与现状

1．3 本文主要工作及论文结构

第二章 流场动量定理的积分形式

2．1 流体力学基础知识

2．1．1 系统、时变系统和控制体

2．1．2 质点导数

2．1．3 物理量的积分及变化率

2．1．4 流体运动的控制方程

2．2 输运方程

2．2．1 时变系统的输运方程

2．2．2 时变系统的第二输运方程

2．3 流场动量定理积分形式的推导方法

2．3．1 基于定质量系统牛顿第二定律的推导方法

2．3．2 基于变质量系统密歇尔斯基定律的推导方法

2．3．3 现有文献中流场动量定理积分形式的讨论

第三章 流体动力表达式与流体动力系数计算方法

3．1 无粘流中运动体的流体动力理论

3．1．1 无粘流中运动体的流体动力表达式

3．1．2 无粘流中运动体的流体动力系数计算方法

3．2 有粘流中运动体的流体动力表达式

3．2．1 基于Lamb思想的流体动力表达式

3．2．2 涡动力理论中的流体动力表达式

3．2．3 两种理论关于无穷远边界处理的差异

3．3 有粘流中运动体的非定常流体动力系数计算方法

3．3．1 低速飞行器周围流场的瞬时平衡假设

3．3．2 对流体动力表达式中各部分的分析

3．3．3 有粘流中非定常流体动力系数计算方法

第四章 计算流体力学(CFD)数值模拟

4．1 网格生成技术

4．1．1 网格概述

4．1．2 结构网格

4．2 Fluent软件的理论基础

4．2．1 控制方程的离散方法

4．2．2 有限体积法的求解算法

4．3 飞艇艇体气动力仿真设置

4．3．1 Gambit软件中的步骤

4．3．2 Fluent软件中的步骤

4．4 飞艇艇体气动力仿真结果

第五章 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢