cfd结合降阶模型预测阵风响应

cfd结合降阶模型预测阵风响应

基于cfd的非定常气动弹性分析方法风景响应研究是对飞机通过气候条件对飞机的响应。传统的频率矩阵噪声映射方法是将气动发射动态方程写为频率矩阵的一种常见的方法，并且输入不同频率的频域矩阵，以输入不同频率的风景频率。气动力的输出考虑了之前频率范围内的广义空气动力学影响系数。时间域分析方法基于wagner和kussder的二维翼型。作者在2004年率先开展了基于CFD的飞行器阵风响应计算近10年来,为了开展气动弹性定性分析和参数设计,基于CFD的非定常气动力降阶模型(reducedordermodel,ROM)得到了长足发展,其方法主要分为本征正交分解法(properorthogonaldecomposition,POD)技术1wagner和kus传感器网络系统响应模型1.1wagner函数对不可压流动,二维平板从0°突然变到αWagner函数φ(s)可以近似表示为式中ρ任意时间相关的攻角输入可以描述为在3/4c弦向点产生时间相关的速度w1.2计算时间步长为0.5e的阵风响应对不可压流动,二维平板0时刻在前缘遇到速度为w其中Kussner函数ψ(s)可以近似表示为ψ(s)≈1-0.5e如对于常用的一减余弦型(one-minus-cosine)阵风w其中当σ<H时,η=s,当σ>H时,η=H.此外,假设计算时间步长为Δs,将e其中a将Wagner和Kussner函数写为一般形式2流场计算及arma模型将没有阵风的定常流场作为初始流场.假设0时刻阵风位于翼型的前缘,对于阵风响应有两种计算方法,一种是在每一时刻,通过动网格技术,将翼型网格变形到该时刻的对应攻角,再进行流场计算.另一种是翼型及其网格保持不动,在每个计算网格点加上对应时刻的随时间变化的阵风速度.如对于一减余弦型阵风响应,对于所有上面对Kussner模型改写为式(7),事实上就是一种ARMA模型.ARMA模型写为一般形式为这里C式(8)的待定系数a其中N是用于参数辨识的基于给定某一阵风升力系数响应的离散点总数,且要求N>>n式(11)包含n4计算矩阵响应的应用程序4.1不同阵风响应的参数辨识对不可压流动,平板机翼初始攻角为0°,给定攻角指数阶跃为α根据Wagner和Fussner卷积公式(2),(5)可以预测任意阵风的升力响应.这里我们用Fussner卷积公式(5)计算了阵风输入为和的阵风响应,对一减余弦型阵风,取H=10b,50b,对正弦阵风,取H=50b,它们对应的升力系数响应时间历程如图2所示.取Δs=0.01,分别用上面4种阵风响应通过参数辨识得到式(7)ARMA降阶模型系数及基于Kussner函数解析解列于表1.可以发现,无论对哪种阵风响应进行参数辨识,ARMA降阶模型系数都能保持小数点后3位有一致的结果.4.2cfd直接计算及arma模型阵风响应模型对比下面针对NACA0012翼型,生成H型2块结构网格,网格数为2×218×61,离物面最近的网格距离为1e-5,x方向流入、流出边界距翼型前、后缘分别为5倍和9弦长,法向远场边界距物面5倍弦长,翼型上、下表面分别布置150个网格.使用自己开发Navier-Stokes程序研究阵风响应,所有计算均以0°攻角的定常流场作为初始流场.首先取来流马赫数M取上面计算的任意阵风形状的升力时间响应历程作为输入条件,均可通过参数辨识得到ARMA模型的任意阶系数,通过CFD结果与Kussner卷积公式结果比较知道,(2,1)ARMA模型已足以获得足够的精度,上面4种阵风响应的辨识参数比较列于表2.后两种辨识的参数基本一致,与第1和第2种辨识的结果均有较大差别,到底取哪组数据作为输入数据才能得到最好的结果需要研究,我们定义如下拟合效率参数其中ARMA模型属于在给定非线性定常流场基础上利用小扰动理论推导得到的线性模型,该模型对跨声速阵风响应分析是否有效需要验证.下面我们考虑来流马赫数为M相比较而言,基于CFD直接计算正弦阵风响应对ARMA降阶模型的系数进行参数辨识能得到最佳拟合的升力时间历程.对飞机进行阵风响应分析时,只需要用CFD计算一次就能确定任意阵风形状的气动力响应时间历程,大大提高了阵风响应的分析效率.通过比较找到阵风响应最严重的情况,由于飞机结构设计需要知道最严重阵风响应情况的气动载荷,而ARMA模型不能提供相应的载荷分布,我们需要对最严重情况的阵风响应进行CFD直接计算,获得各个时刻的压力分布,从图5可以看出,一减余弦型(H=50b)阵风引起的升力系数变化最大,CFD直接计算对应图5(c)典型位置1到6的压力分布见图6.图6(a)对应0时刻M5arma模型在cfd直接计算中的应用本文发展了一种基于CFD与ARMA降阶模型结合的阵风响应分析方法,并通过对比分析知道基于正弦阵风响应的参数辨识模型与CFD直接计算结果拟合程度最好的结论,建立的ARMA模型能用于任意形状阵风响应分析,对