题目：飞行器强迫运动和自由飞的非定常流动数值模拟

飞行器强迫运动和自由飞的非定常流动数值模拟摘 要近年来，随着技术的进步和现代战争需求的升级，基于非定常流动的飞行器气动特性研究越来越成为关注的热点，而强迫运动和自由飞是研究飞行器非定常气动特性的重要途径。在过去的发展过程中，实验是强迫运动和自由飞研究的主要方式。计算机技术的发展和计算方法的进步使得数值模拟飞行器的复杂非定常绕流成为可能，而耦合三维非定常Navier-Stokes方程和强迫运动及自由飞运动模型的数值模拟方法将是最有前途和生命力的研究途径。数值研究这类问题仍然存在一些难点，如非定常流动控制方程求解的海量计算量、非定常流动计算的时间精度、飞行器的全姿态角的连续解算方法、流动控制方程和自由飞运动模型的耦合计算方法等。针对这些问题，本文开展了一系列的研究工作，实现了飞行器强迫运动和自由飞的非定常流动数值模拟，取得了一些进展。 在非定常流动数值模拟方面，本文结合经典SOR迭代方法与雅可比矩阵对角占优分裂思想，提出了非定常流动计算的SOR时间推进方法并对该方法的精度和收敛性做了计算性能分析。本方法具有如下优点：无因式分解误差，因而具有较高时间精度；每一物理时间步通量与雅可比矩阵只需计算一次，因而具有较高计算效率；SOR方法具有比Guass-Seidel方法更好的收敛性。同时，为了提高隐式方法求解多块分区的非定常流动时分区边界的时间精度，对覆盖投影法进行了扩展，在内边界搭接面法向网格分布不均匀的情况下，覆盖宽度采用搜索的方法确定。 在强迫运动和自由飞模型的数值求解方面，建立了强迫运动和自由飞运动模型，给出了积分求解的数值方法。为了克服姿态角欧拉方程的奇异性和传统双欧法限制俯仰角在[-90°，+90°]范围内的缺点，实现全角度姿态角解算，对传统双欧法的正反欧角度转换方法进行了改进，使得欧拉角在数值模拟过程中能始终保持连续性，从而能适应全角度的姿态角数值求解。改良的双欧法具有和四元数法同样的全角度模拟能力，却没有四元数法的误差积累缺陷，适于飞行器全角度姿态角的连续解算。 将流动控制方程和自由飞运动模型耦合求解，采用松耦合的方式传递流动控制方程和自由飞运动模型方程之间的信息，积分自由飞运动方程得到某时刻的姿态和运动速度、加速度、角速度、角加速度，通过求解流动控制方程可以得出所受气动力，二者之间交替提供输入参数，逐步推进，从而模拟整个运动过程，在国内首次实现了飞行器六自由度运动的非定常流动数值模拟。 在数值方法应用方面，多个数值算例考核了方法的正确性；对来流马赫数为0.3情况下的翼型扑动流场进行了数值模拟，研究了减缩频率 时不同角振幅，不同相位差对沉浮和俯仰复合运动推力和推进效率的影响，揭示了推力的形成机理和推进效率变化的原因；数值模拟了“起源号”飞船样本返回舱自由飞运动过程，研究了返回舱姿态、弹道、运动状态以及力和力矩等随时间变化的历程，从能量的观点分析了飞船样本返回舱的动态特性，得出了其气动特性的结论。关键词：计算流体力学， 非定常流动， 自由飞， 姿态角解算， SOR时间推进方法