CN110633545B - 飞机瞬时大加速度起飞过程燃油的重心计算方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本申请属于飞机燃油系统技术领域，特别涉及一种飞机瞬时大加速度起飞过程燃油的重心计算方法及装置。方法包括：步骤一：获取飞机起飞过程参数、油箱参数以及燃油参数；步骤二：根据所述飞机起飞过程参数、所述油箱参数以及所述燃油参数构建飞机瞬时大加速度起飞过程下的燃油晃动模型；步骤三：根据所述燃油晃动模型计算燃油的重心。本申请的飞机瞬时大加速度起飞过程燃油的重心计算方法，通过构建燃油晃动模型，可以获得自由燃油液面的变化范围及幅度，通过重心计算可以求解在大加速度作用下，燃油晃动所引起的重心变化范围，为飞机的控制系统设计及重心设计提供技术支持。

Description

飞机瞬时大加速度起飞过程燃油的重心计算方法及装置
技术领域
本申请属于飞机燃油系统技术领域，特别涉及一种飞机瞬时大加速度起飞过程燃油的重心计算方法及装置。
背景技术
飞机瞬时大加速度起飞过程中，油箱内燃油在加速度的激励作用下，产生大幅度的受迫运动，表现为燃油自由液面波动引起油箱内部整个区域燃油的运动。
目前，尚无对飞机起飞过程燃油晃动及晃动所引起重心变化的研究。有关飞机起飞过程燃油晃动的研究之所以处于几乎空白状态，主要是因为存在以下几个方面的现实：飞机起飞过程是一个附加了动态变化加速度的非稳态过程，这个过程中，油箱承受飞机的加速度，流体与固体区域强烈耦合，油箱内燃油被动受力，并反作用于油箱结构；短时大加速度条件下燃油的晃动包含多种运动形态，常规方法不能有效模拟该条件下燃油的剧烈晃动。
因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。
发明内容
本申请的目的是提供了一种飞机瞬时大加速度起飞过程燃油的重心计算方法及装置，以解决现有技术中存在的至少一个问题。
本申请的技术方案是：
本申请的第一个方面提供了一种飞机瞬时大加速度起飞过程燃油的重心计算方法，包括：
步骤一：获取飞机起飞过程参数、油箱参数以及燃油参数；
步骤二：根据所述飞机起飞过程参数、所述油箱参数以及所述燃油参数构建飞机瞬时大加速度起飞过程下的燃油晃动模型；
步骤三：根据所述燃油晃动模型计算燃油的重心。
可选地，步骤一中，所述飞机起飞过程参数包括：起飞过程持续的时间、起飞过程加速度随时间的变化规律，所述油箱参数为油箱的三维数据，所述燃油参数包括：燃油的密度、粘度。
可选地，步骤二中，所述根据所述飞机起飞过程参数、所述油箱参数以及所述燃油参数构建飞机瞬时大加速度起飞过程下的燃油晃动模型包括：
根据所述油箱参数构建油箱模型，对所述油箱模型进行封闭处理，并在封闭的油箱区域填充粒子；
设置所述油箱模型的边界条件；
根据所述燃油参数设置所述油箱模型中的粒子属性；
根据所述飞机起飞过程参数对所述油箱模型进行时间积分计算获得燃油晃动模型。
可选地，所述设置所述油箱模型的边界条件包括：在封闭的油箱区域中，
将油箱壁面的内边界上的粒子的速度设置为零；
将油箱内部的自由边界上的粒子的压力设置为零。
可选地，步骤三中，燃油的重心在t时刻的计算公式为：
Figure BDA0002216749230000021
其中，xt，yt和zt分别是t时刻燃油x，y，z方向的重心坐标，xi，yi和zi分别为粒子i在t时刻的坐标，mi为粒子i的质量，n为粒子总数。
本申请的第二个方面提供了一种飞机瞬时大加速度起飞过程燃油的重心计算装置，包括：
获取模块，用于获取飞机起飞过程参数、油箱参数以及燃油参数；
模型构建模块，用于根据所述飞机起飞过程参数、所述油箱参数以及所述燃油参数构建飞机瞬时大加速度起飞过程下的燃油晃动模型；
重心计算模块，用于根据所述燃油晃动模型计算燃油的重心。
可选地，所述获取模块中，所述飞机起飞过程参数包括：起飞过程持续的时间、起飞过程加速度随时间的变化规律，所述油箱参数为油箱的三维数据，所述燃油参数包括：燃油的密度、粘度。
可选地，所述模型构建模块包括：
油箱模型构建单元，用于根据所述油箱参数构建油箱模型，对所述油箱模型进行封闭处理，并在封闭的油箱区域填充粒子；
边界条件设置单元，用于设置所述油箱模型的边界条件；
粒子属性设置单元，用于根据所述燃油参数设置所述油箱模型中的粒子属性；
燃油晃动模型构建单元，用于根据所述飞机起飞过程参数对所述油箱模型进行时间积分计算获得燃油晃动模型。
可选地，所述边界条件设置单元中，所述设置所述油箱模型的边界条件包括：在封闭的油箱区域中，
将油箱壁面的内边界上的粒子的速度设置为零；
将油箱内部的自由边界上的粒子的压力设置为零。
可选地，所述重心计算模块中，燃油的重心在t时刻的计算公式为：
Figure BDA0002216749230000031
其中，xt，yt和zt分别是t时刻燃油x，y，z方向的重心坐标，xi，yi和zi分别为粒子i在t时刻的坐标，mi为粒子i的质量，n为粒子总数。
发明至少存在以下有益技术效果：
本申请的飞机瞬时大加速度起飞过程燃油的重心计算方法，通过构建燃油晃动模型，可以获得自由燃油液面的变化范围及幅度，通过重心计算可以求解在大加速度作用下，燃油晃动所引起的重心变化范围，为飞机的控制系统设计及重心设计提供技术支持。
附图说明
图1是本申请一个实施方式的油箱模型示意图；
图2是本申请一个实施方式的壁面处理示意图；
图3是本申请一个实施方式的壁面法向定义示意图；
图4是本申请一个实施方式的粒子填充示意图；
图5是本申请一个实施方式的燃油晃动模型某时刻的示意图；
图6是图5的燃油晃动模型另一时刻的示意图；
图7是本申请一个实施方式的起飞过程燃油的重心示意图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
下面结合附图1至图7对本申请做进一步详细说明。
本申请的第一个方面提供了一种飞机瞬时大加速度起飞过程燃油的重心计算方法，包括：
步骤一：获取飞机起飞过程参数、油箱参数以及燃油参数；
步骤二：根据飞机起飞过程参数、油箱参数以及燃油参数构建飞机瞬时大加速度起飞过程下的燃油晃动模型；
步骤三：根据燃油晃动模型计算燃油的重心。
具体的，本申请的飞机瞬时大加速度起飞过程燃油的重心计算方法，步骤一中，飞机起飞过程参数包括：起飞过程持续的时间、起飞过程加速度随时间的变化规律等，油箱参数为油箱的三维数据，燃油参数包括：燃油的密度、粘度等。
本申请的飞机瞬时大加速度起飞过程燃油的重心计算方法，步骤二中，构建燃油晃动模型包括：
首先根据油箱的三维数据构建油箱模型，对油箱模型进行封闭处理，并在封闭的油箱区域填充粒子。如图1至图4所示，构建油箱模型，对油箱模型进行封闭处理包括对油箱的壁面法向定义，基于封闭的油箱区域进行粒子填充，采用基于移动最小二乘法MLS构建边界适应性良好的无网格粒子，填充位置包括油箱壁面以及油箱内部流场区域，填充的粒子的数目依据计算机的能力来设置。
设置油箱模型的边界条件。对于油箱壁面的内边界，规定其为无滑移壁面，在此内边界上粒子保持在固定位置，即内边界上的速度设置为零；对于燃油内部流场区域，通过自由边界的粒子来描述，将自由边界上粒子的压力赋值为零。
根据燃油参数设置油箱模型中的粒子属性。在对燃油流场区域进行初始化设置后，将燃油的物理属性如密度、粘度等赋予流场区域中的粒子。
最后，根据飞机起飞过程参数对油箱模型进行时间积分计算获得燃油晃动模型。如图5和图6所示，分别为不同时刻燃油晃动模型的示意图。
本申请的飞机瞬时大加速度起飞过程燃油的重心计算方法，油箱在燃油短时间的冲击作用下，结构的变形微乎其微，因此可以不考虑结构变形与晃动之间的耦合效应对晃动特性的影响，将油箱简化为刚体模型。步骤三中，燃油的重心在t时刻的计算公式为：
Figure BDA0002216749230000051
其中，xt，yt和zt分别是t时刻燃油x，y，z方向的重心坐标，xi，yi和zi分别为粒子i在t时刻的坐标，mi为粒子i的质量，n为粒子总数。
如图7所示，为本申请的一个实施方式的起飞过程燃油的重心变化曲线。
本申请的飞机瞬时大加速度起飞过程燃油的重心计算方法，为适应瞬时大加速度起飞过程中，加速度作用所带来的燃油自由边界的剧烈变化，采用基于移动最小二乘法MLS构建边界适应性良好的无网格粒子，来处理燃油晃动所产生的表面大形变的流动问题。在计算区域内，许多个粒子的集合代表了油箱内燃油的整个流场区域。粒子承载了燃油的所有物理信息，是燃油流体属性的载体，而每一个粒子的物理量是通过附近粒子的信息基于质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程传递而来的，通过描述每一时间步当前时刻粒子的分布，来表达燃油流动的整个特征。
本申请的第二个方面提供了一种飞机瞬时大加速度起飞过程燃油的重心计算装置，基于上述的飞机瞬时大加速度起飞过程燃油的重心计算方法，装置包括：
获取模块，用于获取飞机起飞过程参数、油箱参数以及燃油参数；
模型构建模块，用于根据飞机起飞过程参数、油箱参数以及燃油参数构建飞机瞬时大加速度起飞过程下的燃油晃动模型；
重心计算模块，用于根据燃油晃动模型计算燃油的重心。
在本申请的一个实施方式中，获取模块中，飞机起飞过程参数包括：起飞过程持续的时间、起飞过程加速度随时间的变化规律，油箱参数为油箱的三维数据，燃油参数包括：燃油的密度、粘度。
在本申请的一个实施方式中，模型构建模块包括：
油箱模型构建单元，用于根据油箱参数构建油箱模型，对油箱模型进行封闭处理，并在封闭的油箱区域填充粒子；
边界条件设置单元，用于设置油箱模型的边界条件；
粒子属性设置单元，用于根据燃油参数设置所述油箱模型中的粒子属性；
燃油晃动模型构建单元，用于根据飞机起飞过程参数对油箱模型进行时间积分计算获得燃油晃动模型。
在本申请的一个实施方式中，边界条件设置单元中，设置油箱模型的边界条件包括：在封闭的油箱区域中，
将油箱壁面的内边界上的粒子的速度设置为零；
将油箱内部的自由边界上的粒子的压力设置为零。
在本申请的一个实施方式中，重心计算模块中，燃油的重心在t时刻的计算公式为：
Figure BDA0002216749230000061
其中，xt，yt和zt分别是t时刻燃油x，y，z方向的重心坐标，xi，yi和zi分别为粒子i在t时刻的坐标，mi为粒子i的质量，n为粒子总数。
本申请的飞机瞬时大加速度起飞过程燃油的重心计算方法及装置，通过构建燃油晃动模拟，可以获得自由燃油液面的变化范围及幅度，确定自由液面的运动区域，为液面类信号器的安装位置提供参考和依据；通过重心计算可以求解在大加速度作用下，燃油晃动所引起的重心变化范围，为飞机的控制系统设计及重心设计提供技术支持。本申请不仅可以应用于弹射起飞类飞机在弹射过程中燃油的晃动模拟和重心计算，还可以推广应用至其他飞机在起飞滑跑过程中的自由液面运动模拟及重心计算，以及航天类飞行器贮箱内的燃料在发射过程中的晃动研究和重心计算。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种飞机瞬时大加速度起飞过程燃油的重心计算方法，其特征在于，包括：
步骤一：获取飞机起飞过程参数、油箱参数以及燃油参数；
步骤二：根据所述飞机起飞过程参数、所述油箱参数以及所述燃油参数构建飞机瞬时大加速度起飞过程下的燃油晃动模型；
步骤三：根据所述燃油晃动模型计算燃油的重心；
步骤一中，所述飞机起飞过程参数包括：起飞过程持续的时间、起飞过程加速度随时间的变化规律，所述油箱参数为油箱的三维数据，所述燃油参数包括：燃油的密度、粘度；
步骤二中，所述根据所述飞机起飞过程参数、所述油箱参数以及所述燃油参数构建飞机瞬时大加速度起飞过程下的燃油晃动模型包括：
根据所述油箱参数构建油箱模型，对所述油箱模型进行封闭处理，并在封闭的油箱区域填充粒子；
设置所述油箱模型的边界条件；
根据所述燃油参数设置所述油箱模型中的粒子属性；
根据所述飞机起飞过程参数对所述油箱模型进行时间积分计算获得燃油晃动模型；
所述设置所述油箱模型的边界条件包括：在封闭的油箱区域中，
将油箱壁面的内边界上的粒子的速度设置为零；
将油箱内部的自由边界上的粒子的压力设置为零。
2.根据权利要求1所述的飞机瞬时大加速度起飞过程燃油的重心计算方法，其特征在于，步骤三中，燃油的重心在t时刻的计算公式为：
Figure FDA0004101460140000011
其中，xt，yt和zt分别是t时刻燃油x，y，z方向的重心坐标，xi，yi和zi分别为粒子i在t时刻的坐标，mi为粒子i的质量，n为粒子总数。
3.一种飞机瞬时大加速度起飞过程燃油的重心计算装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取飞机起飞过程参数、油箱参数以及燃油参数；
模型构建模块，用于根据所述飞机起飞过程参数、所述油箱参数以及所述燃油参数构建飞机瞬时大加速度起飞过程下的燃油晃动模型；
重心计算模块，用于根据所述燃油晃动模型计算燃油的重心；
所述获取模块中，所述飞机起飞过程参数包括：起飞过程持续的时间、起飞过程加速度随时间的变化规律，所述油箱参数为油箱的三维数据，所述燃油参数包括：燃油的密度、粘度；
所述模型构建模块包括：
油箱模型构建单元，用于根据所述油箱参数构建油箱模型，对所述油箱模型进行封闭处理，并在封闭的油箱区域填充粒子；
边界条件设置单元，用于设置所述油箱模型的边界条件；
粒子属性设置单元，用于根据所述燃油参数设置所述油箱模型中的粒子属性；
燃油晃动模型构建单元，用于根据所述飞机起飞过程参数对所述油箱模型进行时间积分计算获得燃油晃动模型；
所述边界条件设置单元中，所述设置所述油箱模型的边界条件包括：在封闭的油箱区域中，
将油箱壁面的内边界上的粒子的速度设置为零；
将油箱内部的自由边界上的粒子的压力设置为零。
4.根据权利要求3所述的飞机瞬时大加速度起飞过程燃油的重心计算装置，其特征在于，所述重心计算模块中，燃油的重心在t时刻的计算公式为：
Figure FDA0004101460140000021
其中，xt，yt和zt分别是t时刻燃油x，y，z方向的重心坐标，xi，yi和zi分别为粒子i在t时刻的坐标，mi为粒子i的质量，n为粒子总数。
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