雷达天线风载特性的数值计算方法及应用研究

摘要

为将计算流体动力学(CFD)应用于雷达天线风载计算领域，本文以计算流体动力学和平稳随机过程模拟理论为基础，研究了天线风载的数值计算方法。采用雷诺平均模拟法，提出了天线平均风载的数值计算方法；根据工业风洞与大气边界层风洞入口来流的不同，采用数值风洞模拟了天线在不同风洞中风载特性；结合CFD技术及势流理论，提出应用于工业风洞试验的天线平均风载特性洞壁干扰修正方法；基于准定常假设，提出利用定常数值计算方法求解大气边界层中天线风载时程的方法；基于湍流来流合成法，提出采用大涡模拟计算大气边界层中天线风载时程的方法，并以此指导天线结构的优化设计。
　　本文主要对以下几个方面进行了深入研究：
　　1.工业风洞中天线平均风载数值模拟方法的研究
　　根据课题组前期研究成果，构建天线风载数值计算几何模型，利用网格自动生成及人工干预的方法划分计算网格，设定计算边界条件及壁面函数，选择湍流计算模型及求解方法，设定计算控制参数，利用FLUENT软件进行数值模拟，并与风洞试验结果进行比较，从而提出天线风载数值计算方法。
　　2.工业风洞与大气边界层风洞中天线平均风载特性的数值模拟研究
　　根据天线在不同风洞中的试验条件，确定其相应试验参数(平均风速剖面和湍流强度等)，以此为风洞来流条件，采用数值方法得到天线在不同风洞中的风载特性。比较在工业风洞和大气边界层风洞中的天线风载数值计算结果，为天线结构设计提供了参考。
　　3.工业风洞中天线风载的壁面干扰效应修正方法的数值研究
　　由于风洞试验中壁面对试验结果的影响，试验得到的天线风压与实际风压存在偏差。根据风压分布规律以及数值计算得到的基本压力系数计算经验公式，结合势流模型理论，求得无阻塞的天线实际阻力系数；通过重新规整风压系数，消除壁面干扰的影响，得到无阻塞的天线风压系数分布。
　　4.基于准定常假设的大气边界层中天线风载时程数值模拟研究
　　采用Kaimal风速功率谱，利用谐波合成法模拟天线表面风速时程。基于准定常假设，结合天线风压的定常数值计算结果，得到与试验数据比较吻合的天线风压及风载时程。
　　5.基于合成湍流来流的大气边界层中天线风载时程大涡数值模拟研究
　　以人工合成湍流来流为计算域边界条件，采用介于模式计算及直接数值模拟的大涡数值模拟方法，对相控阵天线风压及风载时程进行计算，并与标准模型风洞试验结果比较。
　　以上研究提出了天线平均风载的数值计算方法，利用数值方法研究了天线在不同风洞中的风载特性，消除了洞壁干扰对天线平均风压与风载数值计算结果的影响；从定常和非定常数值模拟的角度提出获得大气边界层中天线风载时程的数值计算方法，其研究结果对天线风振时域分析以及结构优化设计具有指导意义。
　　本文的创新点概括如下：
　　1.提出了工业风洞中天线平均风载的数值计算方法
　　基于有限体积数值计算方法，选取相应的湍流模型并以壁面函数处理近壁面流动，计算了天线的平均风压及风载。计算结果与天线风洞试验数据进行比较，获得较为满意的结果。该项研究以数值风洞方法开展天线风载特性的计算，进一步完善了天线风载的研究手段。
　　2.提出了基于 CFD技术的工业风洞中天线平均风载的壁面阻塞效应修正方法
　　通过定常数值计算得到基本压力系数在不同阻塞条件下的变化规律，结合风洞试验结果，提出修正阻塞下天线风压及风载风洞试验结果的方法，通过与试验结果比较，验证了该方法的可行性和正确性。
　　3.提出了基于雷诺平均模拟法的大气边界层中天线风载时程数值计算方法
　　采用Kaimal风速功率谱，利用谐波合成法模拟天线表面风速时程。基于准定常假设，结合天线平均风压的定常数值计算结果，得到与试验数据比较吻合的天线顺风向风压及风载时程。根据风场各向同性的性质，相应得出作用于天线的横风向风载。通过与标准模型试验结果比较，验证了此方法的有效性，并揭示其应用上的局限性。
　　4.提出了基于大涡模拟的大气边界层中天线风载时程数值计算方法
　　基于Kaimal风速功率谱及空间相关性，采用谐波合成法模拟不同布置空间点顺风向及横风向风速，以此为数值模型入口的湍流来流边界条件，采用动力亚格子湍流模型进行大涡模拟计算，从而得到天线的风压及风载系数时程。将计算结果与标准模型试验结果进行比较，验证了该方法的有效性。

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第一章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 风载数值计算的国内外研究现状和发展趋势

1.3 论文的研究意义

1.4 论文的研究内容

1.5 论文研究的技术路线

1.6 论文结构安排

第二章 工业风洞中天线平均风载的数值计算方法研究

2.1 天线平均风载数值计算方法的理论研究

2.2 平板天线平均风载的数值计算

2.3 利用数值方法研究入口条件变化对天线风载的影响

2.4 本章小结

第三章 工业风洞及大气边界层风洞中天线风载特性的数值研究

3.1 近地风特性

3.2 工业风洞及大气边界层风洞边界条件的不同设定

3.3 车载相控阵天线风载的数值计算

3.4 本章小结

第四章 工业风洞中天线风载特性壁面干扰修正方法的数值研究

4.1 引言

4.2 洞壁干扰修正方法概述

4.3 天线风压及风载系数的壁面干扰修正方法

4.4 阻塞比对平板天线风载影响的数值研究

4.5 平板天线风载壁面干扰效应的修正

4.6 本章小结

第五章 基于准定常假设的大气边界层中天线风载时程的雷诺平均计算方法研究

5.1 引言

5.2 CRRAC标准模型

5.3 脉动风速的模拟方法

5.4 基于准定常假设的脉动风压及风载计算方法

5.5 相控阵天线风载的定常数值计算模型

5.6 相控阵天线风压及风载定常计算结果及分析

5.7 本章小结

第六章 基于湍流合成的大气边界层中天线风载时程的大涡模拟方法研究

6.1 大涡模拟计算中湍流来流的生成方法

6.2 大气边界层中相控阵平板天线风载大涡数值模型的建立

6.3 计算数据处理

6.4 天线风压及风载的数值计算结果及分析

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 工作总结

7.2 进一步工作展望

致谢

参考文献

攻博期间发表的论文