● 摘要
本文的研究目标是锥形降落伞开伞过程的数值模拟，主要的工作内容分为流固耦合模拟和涡结构分析两个部分。首先本文对锥形降落伞开伞过程的流固耦合动态过程进行了数值仿真。根据降落伞开伞过程中柔性体变形结构和力学方面的特征，对整个回收系统采取轴对称假设，创建了伞衣及回收物系统的多结点模型。与此同时，通过考虑应力，重力和气动力的作用效果，建立了用于无气流攻角的锥形降落伞充气模拟的多结点结构模型动力学方程组。对开伞过程中的流固耦合引入准定常假设，利用商用软件Fluent求解RNG k-ε湍流模型下的雷诺平均纳维-斯托克斯方程组以获得选定时刻的伞衣表面压力分布。结合多结点模型动力学方程组的解算程序，对选定的锥形降落伞模型的开伞过程伞衣结构变化进行动态仿真，得到了开伞过程中锥形降落伞外形和速度的变化。通过流场计算和结构变形的相互迭代，进行时间推进，模拟出了整个开伞过程的锥形降落伞流场和结构的动态变化。在结果分析和比较中，证明了该研究的可信性，并对流场进行了拓扑分析，进一步证实了本文的结果。然后，针对锥形降落伞开伞过程数值仿真的流场结果，本文着重展开对其涡结构的分析。通过论述涡动力学的相关基础理论，推导出了一般形式的涡量输运方程。并以此为基础较为仔细的分析了本文数值模拟中涡量产生和扩散的两种方式。同时还考察了降落伞数值模拟中捕捉到的附着涡层分叉产生自由涡层、自由涡层再附着于物面形成闭合回流、附着涡层向自由涡层的转化等现象，以理论为基础，解释了数值模拟中流动分离的上述现象。在最后，通过将二维模型还原成三维轴对称模型，利用涡环相关理论解释了降落伞开伞过程中出现的涡环在短时间内分裂又合并的现象。从整体来看这是一种涡环的“蠕动”现象，有待进一步研究。