超聲速流中剛體系統(tǒng)分離與繩系控制的數(shù)值模擬.pdf

1、流體力學(xué)中大量問(wèn)題涉及到動(dòng)邊界，對(duì)這類問(wèn)題的研究有很重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。超聲速流中剛體系統(tǒng)的分離運(yùn)動(dòng)不僅存在動(dòng)邊界，還涉及到激波、湍流等多物理過(guò)程相互作用，是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題。本文以大型復(fù)雜航天器隕落再入過(guò)程中的軌道預(yù)測(cè)和落點(diǎn)控制為研究背景，經(jīng)過(guò)合理簡(jiǎn)化，研究了超聲速流中自由剛體系統(tǒng)和繩系剛體系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分離過(guò)程。
　　軟件方面，首先開(kāi)發(fā)了一個(gè)六自由度剛體求解器，剛體姿態(tài)使用四元數(shù)描述，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使用四階Runge-Kutta法

2、數(shù)值求解。通過(guò)實(shí)時(shí)操作剛體表面三角形網(wǎng)格，它能夠處理復(fù)雜形狀的剛體，且具備使剛體發(fā)生主動(dòng)變形的能力。然后使用松耦合算法，將它與開(kāi)源軟件包VTF中的流體求解器耦合，流體求解器傳遞邊界壓力信息給剛體求解器，剛體求解器傳遞表面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位置和速度信息給流體求解器，采用level-set配合ghost-fluid方法施加內(nèi)置邊界條件。最終，得到了一個(gè)可用于模擬三維動(dòng)邊界問(wèn)題的并行自適應(yīng)流固耦合求解器。通過(guò)一系列數(shù)值實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了程序的可靠性。

3、>　　自由剛體系統(tǒng)方面，模擬了不同構(gòu)型的系統(tǒng)在四馬赫的超聲速流中的分離運(yùn)動(dòng)。著重研究了剛體的側(cè)向速度和流向速度與剛體的質(zhì)量比、初始間距和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。通過(guò)定性和定量分析，加深了對(duì)自由剛體系統(tǒng)分離運(yùn)動(dòng)過(guò)程的理解。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，剛體的側(cè)向分離速度在其沿激波以類似“沖浪”的形式運(yùn)動(dòng)時(shí)達(dá)到最大。給定質(zhì)量比，則存在特定的初始間距，或給定初始間距，則存在特定質(zhì)量比使剛體沿激波運(yùn)動(dòng)。剛體的形狀會(huì)影響物體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)又會(huì)進(jìn)一步增大“沖浪”運(yùn)動(dòng)

4、產(chǎn)生的側(cè)向速度。研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，在再入隕落飛行器返回地球時(shí)，對(duì)稱性更好的內(nèi)部組件的會(huì)使其散布范圍更小。
　　繩系剛體系統(tǒng)方面，模擬了不同構(gòu)型的繩系系統(tǒng)在四馬赫的超聲速流中的分離運(yùn)動(dòng)。著重研究了系統(tǒng)質(zhì)心和較大剛體的流向速度以及系統(tǒng)的散布度與剛體的質(zhì)量比、繩系長(zhǎng)度的關(guān)系。通過(guò)定性和定量分析，發(fā)現(xiàn)繩子的存在首先能有效減小剛體系的散布范圍，其次也會(huì)改變系統(tǒng)質(zhì)心的流向速度。系統(tǒng)質(zhì)心的流向速度增大或減小與剛體質(zhì)量比有關(guān)。對(duì)于由相同部件構(gòu)成的剛