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2020年  第5卷  第6期

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气体物理 第5卷 第6期 封面+目录
2020, 5(6): .
40 1
摘要:
序言
气动弹性专题序言
2020, 5(6): .
34 1
摘要:

气动弹性是伴随航空航天发展的一门交叉学科，气动弹性设计在一定程度上代表了现代飞行器设计的质量和水平. 随着近年来航空航天飞行器的快速发展，如高超声速飞行器、大变形大柔性飞行器、长航时无人机等，作为飞行器固有特性的气动弹性不断涌现出新现象、新问题和新挑战，直接影响现代飞行器的飞行安全和飞行性能.
《气体物理》气动弹性专题由《气体物理》杂志社与中国力学学会流固耦合力学专业委员会、中国空气动力学会空气弹性力学专业委员会共同发起并组织，共收集论文6篇，稿件来自国内高校和航空航天院所，这些论文的作者大都是气动弹性领域的优秀青年学者，内容涵盖了高超声速热气动弹性和内外流耦合数值仿真、静气动弹性与飞行载荷分析、大展弦比气弹机翼气动分析与风洞试验、气动弹性结构优化等方面，反映了飞行器气动弹性领域的关键问题和最新研究进展.
气动弹性专题
高超声速飞行器热气动弹性仿真计算方法综述
王梓伊, 张伟伟, 刘磊
2020, 5(6): 1-15. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0864
137 25
摘要:
高超声速飞行器遭遇的热气动弹性问题具有危险性和复杂性，而型号设计又对计算环境下的热气动弹性仿真提出了效率和精度的双重要求.针对此问题，首先回顾了热气动弹性分析中气动力、气动热、结构热传导、热结构动力学等子学科的仿真计算方法，包括工程方法、数值模拟及降阶建模方法.其中，降阶建模方法有望解决目前计算效率和精度的矛盾，是调研的重点.之后，从时空耦合的角度总结了热气动弹性分析的多场耦合计算架构，包括单向、双向空间耦合策略，以及全耦合、松耦合、时域-频域耦合等时间耦合策略.在结论中，提出了基于子学科降阶模型进行多场耦合仿真的思路，并对热气动弹性分析的发展趋势进行了展望.
面向飞机各设计阶段考虑静气动弹性效应的面元法飞行载荷分析方法
王晓喆, 万志强, 杨超, 刘耘臻
2020, 5(6): 16-25. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0852
138 16
摘要:
针对现代飞机设计对于高效率、高精度飞行载荷分析的迫切需求，建立了面向飞机各设计阶段考虑静气动弹性效应的面元法飞行载荷分析方法，并以此为基础构建了飞机各设计阶段气动弹性优化框架，以加快各阶段的迭代，提高设计效率.概念设计阶段的气动力分析采用低阶面元法，可适应该阶段为确定气动外形参数范围所需的大量计算.初步设计阶段采用高阶面元法开展气动力分析，以兼顾求解精度和效率的需求.详细设计阶段的飞行载荷分析方法在基本面元法的基础上引入了外部高精度CFD气动力或试验气动力，以进一步提高飞行载荷的精度并兼顾求解效率.研究结果表明，所建立考虑静气动弹性效应的面元法飞行载荷分析方法具有较强的工程实用性，可以满足现代飞机各个设计阶段的需要.
基于非线性涡格法的快速静气动弹性数值模拟技术
孙岩, AndreaDa Ronch, 王运涛, 孟德虹, 洪俊武, 许贤超
2020, 5(6): 26-38. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0806
132 14
摘要:
基于2.5D RANS数据和VLM耦合的方式，发展了一种考虑非线性流动效应的混合型涡格法HVLM.采用矩形直/后掠机翼两个外形的跨声速算例，通过与VLM、三维CFD计算数据的比较，对HVLM的气动力预测精度进行了分析与评估.对比结果表明，HVLM在大幅降低时间成本的前提下可以获得和三维CFD方法预测值十分接近的计算数据，对线化VLM方法的修正效果显著.然后，HVLM与悬臂梁有限元求解耦合，实现了一种面向三维机翼的快速静气动弹性数值模拟技术，并通过矩形直机翼算例进行了验证.耦合算例的时间分析数据表明，HVLM/Beam耦合的方式能够在10 s以内完成1次三维机翼静气动弹性分析，在气动/结构耦合分析、优化设计方面展示出了良好的应用前景.
大展弦比气弹机翼柔性非线性变形的气动力效应分析与风洞试验
刘燚, 许云涛, 吕计男
2020, 5(6): 39-44. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0811
172 19
摘要:
从飞行器刚弹耦合动力学模型出发，引入柔性机翼准定常假设，建立大柔性飞行器非线性静气动弹性气动力方程，利用非线性迭代求解思路模拟了柔性飞行器的静气动弹性响应行为，开展了大展弦比飞机静气动弹性风洞试验验证，采用气动力有限基本解与机翼的耦合计算，发现了大柔性飞机大变形状态下载荷及结构变形形式随风速的变化规律.传统基于小变形假设的线性分析方法和刚体分析由于无法考虑气动面随结构变形的曲面气动力因素和结构变形后的非线性刚度特性，均与风洞试验存在一定的误差.对于大展弦比柔性飞机的非线性静气动弹性分析十分必要.
一种基于拓扑优化的舵面仿生多级分叉结构设计
王昕江, 郭力, 金朋, 吕计男
2020, 5(6): 45-51. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0849
141 5
摘要:
新型面对称高速飞行器面临着宽速域、宽动压飞行条件，受到此类飞行器装载与装填比要求的限制，飞行器的主要承力结构重量较低，为了突破传统结构设计方法面临的结构减重极限，文章提出了一种基于拓扑结构轻质化的优化设计方法.该方法的主要思想为根据具体的载荷工况，在优化区域中获得最优的传力路径.通过对面对称高速飞行器的舵应用此优化方法，在多种载荷作用下，获得了多级分叉的仿生结构.通过验证计算表明设计得到的结构不仅重量减轻，还能够满足静气动弹性变形与强度要求，从而验证了此方法进行结构设计的可行性.
吸气式高超声速飞行器机体/推进一体化内外流非定常耦合方法
何良俊, 张兵, 尤厚丰, 王云海
2020, 5(6): 52-59. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0805
135 15
摘要:
基于吸气式高超声速飞行器机体/推进一体化的气动布局设计方式，文章提出了一种内外流一体化流场的耦合求解方法，其中燃烧室内流场采用考虑有限速率化学反应动力学模型的一维非稳态方法求解，进气道和尾喷管外流场采用二维CFD软件计算，进气道与燃烧室在耦合界面处通过一维平均方法实现静温、静压和Mach数等参数传递.并分别以日本国家航空与航天实验室（NAL）的氢燃料燃烧室模型作为内流场验证算例，以某典型高超声速飞行器一体化模型作为内外耦合流场验证算例.研究结果表明：有限速率化学反应准一维方法能较为准确地模拟燃烧室内燃烧流场，提出的内外流场耦合方法能够有效地计算出内外流耦合效应，计算后体压力分布与理论值较接近.该方法可为超燃冲压发动机的性能快速分析和吸气式高超声速飞行器机体/推进一体化的初步分析设计提供重要参考.

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