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【6h】

火星大气环境下降落伞SPH流固耦合方法初探

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1本文研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3本文研究内容

第二章 理论基础

2.1 SPH方法的基本理论

2.2 控制方程

2.3 控制方程的SPH离散

2.4 SPH-FEM耦合算法的实现

2.5本文技术方案和求解方法

2.6几种软件的介绍

第三章 降落伞开伞的SPH方法模拟与验证

3.1风洞试验装置

3.2模型建立

3.3 数值模拟与风洞试验验证

3.4 本章小结

第四章 火星环境下降落伞稳降过程研究

4.1计算参数确定

4.2降落伞模型建立

4.3 ALE法模型建立及计算

4.4 SPH法模型建立及计算

4.5 ALE法和SPH法仿真结果对比

4.6 本章小结

第五章 火星尘暴对降落伞稳态性能影响

5.1 计算模型建立

5.2 计算条件选择

5.3 有无沙尘暴现象的对比

5.4 沙尘暴的影响

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

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摘要

火星探测作为深空探测的重要内容已经被世界各国广泛关注,而降落伞作为火星探测器重要的减速装置,其性能研究也成为了一项必要内容。火星经常发生大规模尘暴现象,对降落伞的工作性能有一定影响。传统的降落伞流固耦合多采用ALE方法,对于大变形开伞过程,易产生负体积,且计算消耗巨大;为了规避这一问题,本文开展了无网格SPH方法的降落伞流固耦合模拟的研究。
  首先开展了降落伞SPH粒子流固耦合方法可行性数值试验。建立降落伞折叠模型及流场SPH粒子模型,模拟了不同来流速度下降落伞开伞过程,研究了粒子密度对数值结果的影响,获得了开伞过程中伞衣外形、开伞载荷及投影直径的动态变化情况,数值结果与风洞试验结果较为一致,证明了SPH方法在降落伞流固耦合应用上的正确性和有效性。
  其次,针对火星环境降落伞稳降阶段工作过程开展了ALE有限元方法与SPH粒子方法的对比研究。用两种方法对火星盘-缝-带伞进行了流固耦合数值模拟,得到了伞衣外形、等效应力、压力云图、伞衣载荷、投影直径、阻力系数等的动态变化,通过对计算过程及数值结果的对比分析,认为:ALE法准确性和精确性更高,SPH法节约时间,效率更高。
  最后,针对火星环境的尘暴现象开展了SPH粒子方法结合有限元方法耦合模拟的探索。使用SPH粒子模拟火星的沙尘暴颗粒,流场、降落伞建立有限元模型,开展了无沙尘暴、不同沙尘暴速度、密度、分布区域等条件下降落伞稳降阶段工作过程的流固耦合模拟,获得了伞衣外形及应力变化、伞衣载荷和偏转角度等动态变化情况,研究了尘暴强度对降落伞性能的影响,为火星降落伞设计和研制提供了一些参考依据。

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