基于SPH的飞行器水上迫降数值模拟方法与应用

摘要

飞行器水上迫降性能作为衡量其安全性的重要指标，其实质为入水冲击这类非线性大变形流固耦合的复杂问题，研究有效的数值模拟工具具有重大的意义。本文为了很好的模拟入水问题的非定常性、非线性以及伴随的喷溅现象，开发了一种基于光滑粒子动力学（SPH）的数值模拟软件，应用于研究包括直升机和客机等飞行器水上迫降问题，具有重大的工程应用价值。
　　本文首先从积分插值出发，详细介绍了SPH方法的基本原理，并推导了SPH形式的流体力学基本方程，采用了一种虚拟粒子填补流体粒子支持域被边界截断的区域的边界处理方法，可以有效的模拟复杂形状的边界。同时在模拟飞行器刚体运动时，采用了四元数法描述机体运动学方程，避免了求解刚体运动姿态时出现奇点问题。
　　在程序设计过程中，根据需求分析确定软件总体设计方案包含数据输入、粒子生成、SPH求解、运动规律求解、计算过程监控与结果输出和人机交互界面六大功能模块。同时发展了一种Verlet-list和Cell-list相结合的邻近粒子搜索算法并且采用基于Morton Key/ Z-curve order的顺序对粒子进行排序，很大程度提高了软件的效率。此外，为了提高软件稳定性，采用包括拉伸不稳定修正、核函数正则化修正和密度重构的方法，效果显著。论文采用二维溃坝、二维楔形体入水、三维溃坝以及返回舱着水问题为算例，验证了算法和软件的准确性、稳健性和解决复杂问题的能力。
　　本文最后应用开发的数值模拟软件研究了几何外形复杂的直升机和民用客机的水上迫降问题。对直升机缩比模型进行了俯仰角分别为6°、8°和10°的带有水平速度水上迫降模拟，得到了良好的水体喷溅效果以及准确的过载数值；对DLR-F12的缩比模型进行了水上迫降数值模拟，采用真实的下滑角条件，得到了令人满意的结果。

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注释表

第一章 绪论

1.1研究背景与意义

1.2研究现状

1.3现有数值模拟方法对比

1.4本文主要工作

第二章 SPH方法的基本理论

2.1 SPH方法的数学基础

2.2流体控制方程的SPH离散求解

2.3 SPH方法稳定性改进措施

第三章 六自由度运动方程及求解

3.1六自由度运动方程

3.2四元数方法

3.3四元数法表示的姿态角模型

3.4欧拉角和四元数的坐标变化矩阵

3.5四元数微分方程

3.6运动方程求解

第四章 基于SPH的飞行器水上迫降数值仿真软件设计及实现

4.1需求分析与总体设计

4.2详细设计

4.3效率提高措施

第五章 算例验证与应用

5.1二维楔形体入水冲击问题

5.2三维溃坝及冲击问题

5.3返回舱着水冲击问题

5.4某型直升机水上迫降应用实例

5.5民用飞机水上迫降应用实例

第六章 总结与展望

6.1工作总结

6.2工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文