适用于飞行器极限环自激摇滚数值模拟的高效频域方法研究

Owing to lack of transverse stability, wing rock problem arise when modern maneuverable aircraft flying in high angle of attack, manipulation and control are challenged. Considering the flying safety, the dynamic stability problem should be evaluated and solved in design phase, consequently, high effiecient prediction methodology become an important project deserving serious consideration. This project develops high efficient method for numerical simulation of aircraft self-excited limit cycle rock based on harmonic balance method. The investigation including： 1.introducing tightly coupling iteration of fluid and movement, solving fluid governing equations and rigid body dynamic equations alternately, develop new harmonic balance method applicable to aircraft self-excited limit cycle rock simulation; 2. Construting couple aerodynamic model， develop time domain method for aircraft in combined multiple degrees of freedom motion; 3. Compared with method in time domain, investigate the accuracy and efficiency of frequency domain method; 4. Based on Fourier analysis, establish harmonic employing rule, develop adaptive harmonic balance method; 5. Investigating combined free-to-roll and free-to-sideslip motion with the adaptive harmonic balance method, explore high efficient prediction method for multi-degree of freedom motion. Based on above researches, establish high efficient prediction method for aircraft limit cycle oscillation.

现代高机动飞行器大攻角飞行时普遍面临因横向失稳发生摇滚的问题，飞行器的操纵与控制面临挑战，严重影响飞行器机动飞行的安全，需要在设计阶段评估并解决其动态稳定性问题，动态特性的高效预测技术是飞行器设计中值得重视的研究课题。本项目基于谐波平衡法发展飞行器极限环自激摇滚数值模拟的高效预测方法。研究内容包括：1.引入紧耦合形式的流动/运动耦合迭代，交替求解流动控制方程组和刚体动力学方程组，发展适用于飞行器自由振荡的谐波平衡法；2.建立多自由耦合运动的空气动力学模型，发展多自由耦合运动的时域数值模拟方法；3.与时域方法比较，考察三角翼极限环摇滚谐波平衡法预测的精度和效率；4.采用傅里叶分析，建立谐波选取的准则，发展适用于自由振荡的自适应谐波平衡法；5. 研究三角翼滚转/侧滑双自由度耦合运动，探索多自由度耦合摇滚运动的高效预测方法。在以上研究基础上，建立飞行器极限环振荡的高效预测方法。

现代高机动飞行器大攻角飞行时普遍面临因横向失稳发生摇滚的问题，飞行器的操纵与控制面临挑战，严重影响飞行器机动飞行的安全，需要在设计阶段评估并解决其动态稳定性问题，动态特性的高效预测技术是飞行器设计中值得重视的研究课题。本项目发展基于谐波平衡法的高效频域数值模拟方法和多自由度耦合运动时域数值模拟方法，建立适用于飞行器极限环自激摇滚数值模拟的高效预测方法和软件。研究内容包括：1.引入紧耦合形式的流动/运动耦合迭代，交替求解流动控制方程组和刚体动力学方程组，发展适用于飞行器自由振荡的谐波平衡法；2.建立多自由耦合运动的空气动力学模型，发展多自由耦合运动的时域数值模拟方法；3.与时域方法比较，考察三角翼极限环摇滚谐波平衡法预测的精度和效率；4.研究三角翼滚转/侧滑双自由度耦合运动，探索多自由度耦合摇滚运动的高效预测方法。研究表明，基于谐波平衡的频域数值模拟方法可以用于研究频率和振幅未知的极限环振荡，获得了与时域方法定性一致的结果，对于定频率问题，计算效率具有显著优势，对于需要预测频率的问题，计算效率尚未展现明显的优势，在非定常特性与时域方法的定量比较方面，还需要进一步的研究，距离工程实用还需深入解决频域方法理论问题。