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软式空中加油气动相容性及动态特性研究

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随着空中加油技术的发展，国内外对软式空中加油的研究日益增加，软式加油作为一项综合性、系统性的技术，所涉及的研究范围十分广泛。本文采用CFD数值模拟方法对软式空中加油系统进行了研究，内容主要涉及加油流场数值计算方法、加油机与受油机的气动相容性研究、软式加油装置在加油机尾流场中的形状特性以及在加油对接过程中的动态特性等方面。 采用基于Delaunay图、局部网格稀疏和局部网格加密的混合动网格方法来完成加油机流场动网格的生成，以适应模拟加、受油机之间较大幅度的相对运动、软管一锥套系统的形状变化以及加油对接过程中锥套与受油机的相对运动。通过对受油机在加油机流场中做大幅度相对运动时的动网格特性进行描述，验证了所采用动网格方法在空中加油数值模拟过程中的可行性。 采用有限体积方法在非结构网格上对三维可压雷诺平均N-S方程进行求解，空间离散采用Roe迎风格式；时间项采用隐式双时间步法进行推进，其中物理时间的离散采用二阶精度的隐式三点向后差分格式，伪时间步采用经典的四步Runge-Kutta格式进行迭代；采用S-A一方程模型来计算湍流流动；为提高计算效率，采用了基于MPI的并行计算技术。针对加油机尾流场的计算，通过与尾流场实验结果、经验公式结果的对比，验证了数值方法的准确性、可靠性及高效性。 加油机尾流场中存在上洗及下洗区域，受油机位于加油机不同位置将呈现不同的气动特性。本文系统地研究了加油机尾流场的影响因素，加油机尾流场在不同区域的流动特点，以及受油机在不同区域时气动特性的改变，分析了加油机与受油机的气动相容性。总结了翼吊加油模式和中心线加油模式下的气动特点，得到每种加油模式下的气动规律。 发展了一种预估一修正的方法来确定加油软管一锥套在复杂尾流场中平衡时的姿态形状。首先，对软管和稳定伞的气动力进行建模；其次是采用离散式方法对锥套在复杂流场中的平衡位置进行预估，获得软管一锥套的初步形状及位置；最后在修正步中采用耦合求解流场及动网格的方式来最终确定软管一锥套的姿态等物理量。对加油机在不同的飞行高度、速度以及不同软管长度和不同稳定伞设计阻力系数下软管的稳定形状、稳定伞的位置进行了模拟分析研究，获得了软式加油装置在尾流场中的形状特性，为对接加油提供参考方位。 建立了基于离散式的软管一锥套实时运动模拟模型，分别对战斗机和运输机在加油对接过程中锥套的瞬时运动及受油机的头波效应进行了数值模拟及分析。对战斗机加油过程中在不同对接速度下的锥套运动情况进行了数值模拟。结果表明，不同的对接速度对锥套的运动有较大的影响，较低速度对接时，锥套存在向上、向外飘移并且伴有周期性摆动，加油对接较为困难；当高速对接时，加油锥套存在向上、向外移动，但不会发生周期性摆动，加油对接较为容易。对运输机在不同受油杆长度下的锥套运动进行模拟，结果表明，锥套上飘的距离较小，在锥套捕获的范围之内，并且锥套没有出现摆动现象，对接较平稳。 在软式加油过程中的对接阶段，因对接接触瞬间引发的激励和伴随有空气动力的作用传递，以及随后的动态响应，使得加油软管产生互动耦合现象，出现了向后推移的发散性横波振荡，即鞭打现象，直接引起受油头承受巨大弯矩。本文对软管鞭打过程中的动态位置及拖拽点力变化过程进行了数值模拟研究，其结果和已有的公开飞行试验结果相吻合。同时对变阻尼稳定伞进行了分析，发展了变阻尼方式，建立了变阻尼模型，并对稳定伞变阻尼过程的瞬时位置、拖拽力等进行了实时模拟，并得到了相应的变化规律。

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