● 摘要
随着航空事业的迅猛发展,现代飞机设计对由大气现象所引起的飞机气动力效应和动力学效应,尤其是对直接涉及飞行操纵和飞行安全的低空飞行环境开始倍加关注。低空是天气现象最为复杂的区域。低空的大气运动不仅受到天气条件的剧烈影响,还会受到地形的影响。特别是在地势条件复杂、气象条件多变的地区,地形更是影响低空风场的主要因素。低空风场的合理建模与仿真,可为飞机的动力学研究提供相应的技术支持与分析手段,也可为飞行模拟器中真实再现低空飞行环境提供模拟条件。因此,研究复杂地形条件下的低空风场,对保证飞行安全及飞机动态响应研究工作有着重要的意义和作用。
本文从工程应用的角度出发,针对天气和地形这两种不同的风场成因,分别建立风场模型,并在此基础上,建立复杂地形和天气条件下的复合风场模型。将此复杂风场作为飞行环境,对结构弹性影响下飞机穿越风场时的运动特性进行分析。主要研究内容包括:
(1) 以工程应用为出发点,对强对流天气引起的雷暴演变模型进行研究。应用流体动力学的相关理论,在总结和归纳各模拟参数随时间变化趋势的基础上,分阶段建立雷暴模型,并引入线源模型进一步完善了现有的涡环模型。从而,建立了雷暴从生长到衰退,一个完整生命周期的演变模型。
(2) 针对复杂地形及其诱导风场建模中存在的建模难度大、风场模拟不准确等问题,本文提出一种快速高效的复杂地形生成与风场建模方法。该方法以等高线图形数据为基础,通过曲面样条函数和样条曲线的形式,完成复杂地形的可视化描述,并在此地形模拟的基础上借助涡格法求解复杂地形引起的风场。与现有的模拟方法相比,本文方法在复杂地形的模拟方面,比现有模型有较大的优势,可显著降低计算量,提高工作效率,改善模拟精度;同时在风场的模拟方面,可对近地区域有较好的模拟精度,降低误差。
(3) 综合考虑复杂天气和复杂地形的共同作用,本文对复杂地形条件下低空风场的建模问题展开研究。通过调整地面边界条件,实现了复杂地形条件下低空风场的复合问题。并以拉萨贡嘎机场附近的实际地形图为地形模拟依据,对机场附近的风场进行建模,并对沿机场剖面上的低空风场进行分析,对比了不同环境条件下的风场分布形式。
(4) 在刚体飞机飞行运动方程中,引入了风梯度以及结构变形的影响,着重讨论了这两种因素影响下的气动力建模技术。结合上述气动力修正技术和刚体飞机的飞行运动方程,建立了弹性飞机的动力学仿真模型。通过数值算例,对比研究了刚体飞机和弹性飞机在穿越低空风场时运动特性的差异。
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