CN114492227A - 基于飞行器振荡频率分析动稳定性的方法、装置和介质 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了基于飞行器振荡频率分析动稳定性的方法、装置和介质。根据本申请的技术方案，通过对飞行器不同振荡频率下的流动响应进行流动模态分解，观察不同频率下的流动模态变化，结合物面在不同频率振荡下的压力变化，可以解析出飞行器振荡频率对动稳定性影响的流动物理机制。本申请在分析动稳定流动特性时引入了流动模态分解方法，可以量化的分析振荡频率对动稳定性的影响的流动机理，建立微观结果——流动模态，与宏观性能指标——动导数的关系。
Description
技术领域
本申请属于飞行器气动设计领域，具体地，涉及基于飞行器振荡频率分析动稳定性的方法、电子设备、介质和装置。
背景技术
在飞行器研制中，机动性能是我们关注的重点之一。在飞行器的稳定性设计中，俯仰动导数是飞行器动稳定性的重要表征参数，也是飞行器气动建模和飞行控制系统设计的主要基础数据。在稳定性设计过程中，飞行器的振荡频率是提取动导数的重要相关参数，在以往的研究中，存在“小攻角下动导数随频率变化不大”的经验认识，在不清楚飞行器振荡频率时，一般选用2Hz-15Hz的强迫振荡频率进行风洞试验及数值计算，但理论分析和实践表明，振荡频率不能随意给定。在风洞试验中发现，飞行器在大攻角下，俯仰动导数对飞行器振荡频率较为敏感，振荡频率轻微的变化就会带来动导数量级上的变化，严重时甚至出现动导数反号的现象，这给飞行器动稳定性的评估带来极大影响。并且飞行器在实际飞行时，飞行高度的变化会改变来流密度、燃料的持续消耗会导致转动惯量发生改变，这些变化以及不稳定阵风等多种因素均会引起飞行器振荡频率不断的变化，所以飞行器的振荡频率对动稳定性的影响至关重要。但以往的研究中并未找到解决此类的问题的研究手段，急需一种能够有效分析振荡频率对飞行器动稳定性影响的流动机理的方法。
发明内容
本申请提供了一种飞行器振荡频率对动稳定失稳影响分析方法，本申请还提供了相应的电子设备、介质和装置。
本申请的一个方面，提供了一种基于飞行器振荡频率分析动稳定性的方法，所述方法包括：
步骤一、获取对飞行器模型进行数值模拟所需的数据；
步骤二、基于所述数据对所述飞行器模型进行数值模拟，并获取在不同攻角下所述飞行器模型处于不运动状态时和处于不同振荡频率的振荡运动时的流场，所述振荡运动的振幅在预定振幅范围内；
步骤三，获取所述流场的特征面流场信息；
步骤四，对所述特征面流场信息进行流动模态分解，得到所述飞行器模型在不同振荡频率下的流动模态；
步骤五，基于所述流动模态重构流场，得到不同振荡频率下的流动模态与俯仰动导数间的关系；
步骤六，基于所述俯仰动导数分析所述飞行器模型的动稳定性。
可选地，步骤一具体包括：
采用网格生成软件，导入飞行器模型；
在飞行器模型边缘生成网格线；
在每个网格线上分布网格点，并在局部区域进行加密；
通过网格线生成网格面，并将网格面投影至飞行器模型表面，使网格贴体；
通过网格面生成网格块，以生成飞行器空间网格以用于所述数值模拟。
可选地，所述数值模拟采用CFL3D计算程序；所述飞行器空间网格采用SST湍流模型，并且为plot3d格式；所述数值模拟采用延迟分离漩涡算法。
可选地，在步骤二中，获取在不同攻角下所述飞行器模型处于不同振荡频率的振荡运动时的流场具体包括：
将在不同攻角下所述飞行器模型处于不运动状态时的流场作为初场；
在数值模拟的计算程序中设置所述振荡运动的频率、振幅；
设置每个振荡周期取预定数量个数据点；
设置记录流场的时间间隔步长；
获取非定常流动下的流场。
可选地，在步骤二中，获取所述流场具体包括：
在进行数值模拟的计算程序中设置每计算一步记录对应时刻的流场，以获取非定常流动下每个时刻的流场。
可选地，步骤三具体包括：
针对每个时刻，将该时刻的流场导入tecplot软件进行分析；
针对每个时刻，通过对该时刻流场特征的分析，选取特征面；
计算每个时刻的流场的特征面流场信息，所述特征面流场信息包括特征面的压力、密度、温度、能量、速度。
可选地，步骤四具体包括：
对不同时刻的特征面流场信息按照时间顺序编号；
设置期望输出的模态阶数；
将编号后的不同时刻的特征面流场信息导入动态模态分解(DMD)程序进行流动模态分解；
根据单位圆以及模态能量，确定期望输出的模态阶数的模态。
本申请的另一方面，还提供了一种电子设备，所述电子设备包括：
存储器，存储有可执行指令；
处理器，所述处理器运行所述存储器中的所述可执行指令，以实现如上所述的基于飞行器振荡频率分析动稳定性的方法。
本申请的另一方面，还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上所述的基于飞行器振荡频率分析动稳定性的方法。
本申请的另一方面，还提供了一种基于飞行器震荡频率分析动稳定性的装置，包括：
数据获取单元，用于获取对飞行器模型进行数值模拟所需的数据；
流场获取单元，用于基于所述数据对所述飞行器模型进行数值模拟，并获取在不同攻角下所述飞行器模型处于不运动状态时和处于不同振荡频率的振荡运动时的流场，所述振荡运动的振幅在预定振幅范围内；
特征面信息获取单元，用于获取所述流场的特征面流场信息；
流动模态分解单元，用于对所述特征面流场信息进行流动模态分解，得到所述飞行器模型在不同振荡频率下的流动模态；
频率动导数关系单元，用于基于所述流动模态重构流场，得到不同振荡频率下的流动模态与俯仰动导数间的关系；
动稳定性分析单元，用于基于所述俯仰动导数分析所述飞行器模型的动稳定性。
本申请至少具有如下优点：
(1)在动稳定性分析之前，先采用流动模态分解方法，将流场分解为若干典型模态的线性组合；
(2)通过采用流动模态分解方法，可获得不同流动模态对瞬时气动力的贡献，从而建立微观结果(流动模态)与宏观性能指标(动导数)的关系。
附图说明
图1为根据本申请实施例的基于飞行器振荡频率分析动稳定性的方法的流程图。
图2为本申请示例性实施例中采用的飞行器模型外形示意图。
图3为本申请示例性实施例中飞行器模型的CFD网格拓扑示意图。
图4为本申请示例性实施例中CFD数值计算亚迭代收敛示意图。
图5为本申请示例性实施例中流动模态特征面布置示意图。
图6为本申请示例性实施例中不同振荡频率下俯仰动导数随攻角变化示意图。
图7为本申请示例性实施例中不同频率典型模态对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请做进一步说明。
飞行器在实际飞行时，飞行高度的变化会改变来流密度、燃料的持续消耗会导致转动惯量发生改变、这些变化以及不稳定阵风等多种因素均会引起飞行器振荡频率不断的变化，所以飞行器的振荡频率对动稳定性的影响至关重要。本申请在分析动稳定流动特性时引入了流动模态分解方法，可以量化的分析振荡频率对动稳定性的影响的流动机理，建立微观结果(流动模态)与宏观性能指标(动导数)的关系。
图1为根据本申请实施例的基于飞行器振荡频率分析动稳定性的方法的流程图。如图所示，该方法包括步骤一至步骤六。
步骤一、获取对飞行器模型进行数值模拟所需的数据；
步骤二、基于所述数据对所述飞行器模型进行数值模拟，并获取在不同攻角下所述飞行器模型处于不运动状态时和处于不同振荡频率的振荡运动时的流场，所述振荡运动的振幅在预定振幅范围内；
步骤三，获取所述流场的特征面流场信息；
步骤四，对所述特征面流场信息进行流动模态分解，得到所述飞行器模型在不同振荡频率下的流动模态；
步骤五，基于所述流动模态重构流场，得到不同振荡频率下的流动模态与俯仰动导数间的关系；
步骤六，基于所述俯仰动导数分析所述飞行器模型的动稳定性。
根据本实施例，可选取飞行器振荡频率对动导数影响较大的工况，通过对飞行器不同振荡频率下的流动响应进行流动模态分解，观察不同频率下的流动模态变化，结合特征面在不同频率振荡下的压力变化，可以解析出飞行器振荡频率对动稳定性影响的流动物理机制。本申请在分析动稳定流动特性时引入了流动模态分解方法，可以量化的分析振荡频率对动稳定性的影响的流动机理，建立微观结果(流动模态)与宏观性能指标(动导数)的关系。
以下对本申请示例性实施例的多个具体实施细节进行描述。
(1)可根据不同种类飞行器模型的特点生成CFD(Computat1nal FluidDynamics,，计算流体动力学)数值模拟所需气动计算网格。在生成网格时可采用Pointwise网格生成软件。网格形式为结构网格。在网格生成时，可在具有较多分离流动的区域进行加密。可先生成connector(网格线)，然后连接connector形成domain(网格面)，集合domain形成block(网格)，从而形成空间网格。
(2)可根据不同种类飞行器流动特点选取空间离散格式、时间推进格式、湍流模型、预处理、熵修正等气动设置项进行初步气动计算，获得气动力与流场。流场可包含压力、密度、温度、能量、速度等基本信息。对于分离流动较为剧烈的研究工况，还可采用RANS/LES方法来提高对分离流动的模拟精度。
(3)可根据获得的初步流场与气动力，进行网格加密，直至气动力几乎不变，证明此网格规模为合理可信。在网格加密时，应重点加密分离流动较为剧烈的区域，同时应在i,j,k三个方向都进行适当加密。可根据初步流场，确定需重点加密的分离流动较为剧烈的区域。
(4)可模拟飞行器在不同攻角下的流场，获取飞行器静态气动力与飞行器在不运动情况下的非定常流场，记录每一个时间点下的流场，作为流动模态分解的输入文件。在记录非定常流动计算结果时，由于计算结果文件较大，可适当延长记录的时间步长，只要满足流动模态分解需求即可。
(5)可以以(4)中获取的飞行器在不运动情况下的非定常流场作为初场，模拟飞行器在不同攻角下的小振幅运动，并记录飞行器在每个时间点下的瞬时流场，作为流动模态分解的输入文件。在记录非定常流动计算结果时，由于计算结果文件较大，可适当延长记录的时间步长，只要满足流动模态分解需求即可。
(6)可以对(4)中的非定常流场进行流动模态分解，获得飞行器在静态工况下的流动模态。由于对整个三维流场进行流动模态分解会对电脑内存带来极大的消耗，甚至无法运算，所以为了保证该方法的效率以及精度，可以针对不同的飞行器特征选取能够表征流动特征的平面作为特征面进行流动模态分解。
(7)可以对(5)中获得的飞行器在小振幅振荡运动模式下的非定常流场进行流动模态分解，获得流动模态。在选取流动模态的过程中应注意，只选取前几阶模态(即期望输出的模态阶数)即可，保留过多模态对流动分析无意义。
(8)可对(6)与(7)中获得的流动模态进行对比，可分析振荡运动对流动模态的影响。
(9)可采用类似(5)的方法模拟飞行器在不同振荡频率下的非定常流动，记录飞行器在不同振荡频率下的非定常流场信息，作为流动模态分解的输入文件。在记录非定常流动计算结果时，由于计算结果文件较大，可适当延长记录的时间步长，只要满足流动模态分解需求即可。
(10)可将(9)中获得的不同振荡频率下的流场文件进行流动模态分解，获取飞行器在不同振荡频率下的流动模态，可以分析出振荡频率对流动模态的影响。
(11)将不同频率下的流动模态将其非定常流场进行重构，可获得不同流动模态的模态系数，同时可获得前几阶流动模态对物面气动压力的贡献值。
(12)通过分析流动模态对物面气动压力的贡献值，即可获取不同振荡频率对动稳定性特性的影响，可建立流动模态与动导数间的关系。
本申请以飞翼布局飞行器振荡频率对动稳定性影响分析为例。
可先生成飞翼标模数值模拟所需网格文件。本申请采用研究对象为国内小展弦比飞翼标模，其三维示意如图2，其CFD网格拓扑如图3所示。模型比例为1：25，计算状态为：马赫数Ma＝0.1，攻角α＝20°～60°。飞翼标模背风侧非定常流动的模拟精度非常重要，针对飞翼标模外形较为简洁的特点，本示例性实施例中计算可采用O型结构网格拓扑，既能够很好的满足计算精度，同时保证计算效率。为了更精细的捕捉涡破裂点振荡、涡脱落振荡、螺旋波等非定常流动现象，在飞翼标模的背风侧沿展向要进行有目的性的局部加密，沿轴向也要保持一定的网格密度。在网格量方面，为了满足DDES模拟要求并且保证非定常流动计算的效率，在计算精度与效率之间采取折中方案，初步拟定结构网格量为1500W左右。
还可选取数值模拟所需关键参数及计算方法。当流场特征为附着流或者分离流动很弱时，采用的工程中常用的雷诺平均(RANS)方法能够得到较好的计算精度与效率，对于飞翼布局而言，由于在较大攻角存在的分离流动、集中涡、涡破裂等现象，采用传统RANS方法不能做到精确的模拟，所以对于分离流动此次研究拟选用DDES方法，该方法能够在附着流区域采用RANS方法，在分离流动中采用LES(大涡模拟)方法进行，结合了二者的优点，等够在保证效率的前提下对分离流动的小尺度涡进行精确的模拟，空间离散采用Roe格式，时间推进采用格式，同时采用双时间步长方法，其亚迭代收敛过程如图4所示。
可进行大攻角复杂分离流动模态分解。通过非定常流动数值计算，获得至少200个瞬时流场，作为DMD方法的数据输入。由于对整体流场进行DMD分析会带来极大的计算量，所以为了高效地获取飞翼标模背风侧分离流动的模态特性、捕捉不同流动现象的流动模态及特征频率。在本申请中，采集飞翼标模物面以及空间中“监测面”压力，获得压力随时间变化历程，通过DMD方法来获取多种流动模态特性。以文献中对三角翼分离流动的非定常特性作为参考，飞翼标模的非定常流动特性主要为旋涡破裂点振荡、旋涡脱落非定常性、涡破裂后螺旋波发展的非定常性。为了捕捉这几种不同类型的非定常流动频率，在飞翼标模背风侧物面的相应位置布置“监测面”，“监测面”分布图如图5。
在获得物面及监测面的压力随时间变化历程之后，可建立流场快照数据矩阵：
{U1,U2,U3,……,Ui}
U表示流场信息，下标表示按照时间顺序生成的编号。假设存在一个矩阵A使得相邻时间层之间是线性变换关系，则存在：
Ui+1=AUi
对于数据量大的流场而言，A是一个极大的矩阵，所以DMD采用一个低维优化近似的矩阵
来代替A，通过求解近似矩阵
的特征值及特征向量，获取流动模态的幅值及增长率，可进一步重构出流场。为评估DMD对非定常流场重构的误差，定义损失函数Floss，式中
表示原始流场，
表示重构流场，‖·‖表示Frobenius范数：
可获取不同振荡频率下的俯仰动导数，如图6所示。可采用刚性动网格技术，双时间步长方法数值模拟飞行器绕体轴俯仰进行小振幅运动，得到气动力系数随时间变化历程，然后从非定常计算结果中利用最小二乘法获取静/动导数。
在流动非定常性较为强烈的工况，由于气动力随时间变化剧烈，气动力变化幅值甚至会超过强迫振动带来的流动变化幅值，这时可适当增加振幅，并保证足够的计算周期数，同时对气动力信号进行频谱分析，对能量较低的频段进行适当的滤波，有利于在动导数辨识中消除“信号噪声”，确保动导数辨识精度。评估不同采样周期数、振幅、频率对动导数辨识的影响。考虑到非定常计算的耗时性，拟采用多重网格方法，网格拓扑connector所布点数满足规律为8n+1，加快非定常计算亚迭代的收敛速度，能够减少计算时间30％-50％。在选取振幅时应尽量控制在5°以内，以满足线性假设。
可获取振荡频率对流动模态的影响，如图7。选取典型工况(即振动频率对动导数影响较大的工况)进行研究，重构小振幅振荡的瞬时流动(典型监测面、物面等)，获得不同模态对瞬时气动力的贡献。由于动导数前提是小扰`动线性假设，所以瞬时气动力可看作是静态气动力、静导数项、动导数项(阻尼项)之和。其中静态气动力与静导数项均已知，则可提取出不同流动模态对动导数项的贡献，从而建立流动模态与动导数的关系。同时流动模态与振荡频率息息相关，进而揭示振荡频率对动稳定性的影响机理。
可选取飞行器振荡频率对动导数影响较大的工况，通过对飞行器不同振荡频率下的流动响应进行流动模态分解，观察不同频率下的流动模态变化，结合物面在不同频率振荡下的压力变化，可以解析出飞行器振荡频率对动稳定性影响的流动物理机制。本申请在分析动稳定流动特性时引入了流动模态分解方法，可以量化的分析振荡频率对动稳定性的影响的流动机理，建立微观结果(流动模态)与宏观性能指标(动导数)的关系。
本申请还提供了一种基于飞行器震荡频率分析动稳定性的装置，包括：
数据获取单元，用于获取对飞行器模型进行数值模拟所需的数据；
流场获取单元，用于基于所述数据对所述飞行器模型进行数值模拟，并获取在不同攻角下所述飞行器模型处于不运动状态时和处于不同振荡频率的振荡运动时的流场，所述振荡运动的振幅在预定振幅范围内；
特征面信息获取单元，用于获取所述流场的特征面流场信息；
流动模态分解单元，用于对所述特征面流场信息进行流动模态分解，得到所述飞行器模型在不同振荡频率下的流动模态；
频率动导数关系单元，用于基于所述流动模态重构流场，得到不同振荡频率下的流动模态与俯仰动导数间的关系；
动稳定性分析单元，用于基于所述俯仰动导数分析所述飞行器模型的动稳定性。
本实施例的其他细节请参见上文。
根据本申请实施例的电子设备包括存储器和处理器。
该存储器用于存储非暂时性计算机可读指令。具体地，存储器可以包括一个或多个计算机程序产品，该计算机程序产品可以包括各种形式的计算机可读存储介质，例如易失性存储器和/或非易失性存储器。该易失性存储器例如可以包括随机存取存储器(RAM)和/或高速缓冲存储器(cache)等。该非易失性存储器例如可以包括只读存储器(ROM)、硬盘、闪存等。
该处理器可以是中央处理单元(CPU)或者具有数据处理能力和/或指令执行能力的其它形式的处理单元，并且可以控制电子设备中的其它组件以执行期望的功能。在本申请的一个实施例中，该处理器用于运行该存储器中存储的该计算机可读指令。
本领域技术人员应能理解，为了解决如何获得良好用户体验效果的技术问题，本实施例中也可以包括诸如通信总线、接口等公知的结构，这些公知的结构也应包含在本申请的保护范围之内。
有关本实施例的详细说明可以参考前述各实施例中的相应说明，在此不再赘述。
本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述的基于飞行器震荡频率分析动稳定性的方法。
根据本申请实施例的计算机可读存储介质，其上存储有非暂时性计算机可读指令。当该非暂时性计算机可读指令由处理器运行时，执行前述的本申请各实施例方法的全部或部分步骤。
上述计算机可读存储介质包括但不限于：光存储介质(例如：CD－ROM和DVD)、磁光存储介质(例如：MO)、磁存储介质(例如：磁带或移动硬盘)、具有内置的可重写非易失性存储器的媒体(例如：存储卡)和具有内置ROM的媒体(例如：ROM盒)
本申请说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
Claims (10)
1.一种基于飞行器振荡频率分析动稳定性的方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤一、获取对飞行器模型进行数值模拟所需的数据；
步骤二、基于所述数据对所述飞行器模型进行数值模拟，并获取在不同攻角下所述飞行器模型处于不运动状态时和处于不同振荡频率的振荡运动时的流场，所述振荡运动的振幅在预定振幅范围内；
步骤三，获取所述流场的特征面流场信息；
步骤四，对所述特征面流场信息进行流动模态分解，得到所述飞行器模型在不同振荡频率下的流动模态；
步骤五，基于所述流动模态重构流场，得到不同振荡频率下的流动模态与俯仰动导数间的关系；
步骤六，基于所述俯仰动导数分析所述飞行器模型的动稳定性。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一具体包括：
采用网格生成软件，导入飞行器模型；
在飞行器模型边缘生成网格线；
在每个网格线上分布网格点，并在局部区域进行加密；
通过网格线生成网格面，并将网格面投影至飞行器模型表面，使网格贴体；
通过网格面生成网格块，以生成飞行器空间网格以用于所述数值模拟。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：
所述数值模拟采用CFL3D计算程序；
所述飞行器空间网格采用SST湍流模型，并且为plot3d格式；
所述数值模拟采用延迟分离漩涡算法。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤二中，获取在不同攻角下所述飞行器模型处于不同振荡频率的振荡运动时的流场具体包括：
将在不同攻角下所述飞行器模型处于不运动状态时的流场作为初场；
在数值模拟的计算程序中设置所述振荡运动的频率、振幅；
设置每个振荡周期取预定数量个数据点；
设置记录流场的时间间隔步长；
获取非定常流动下的流场。
5.根据权利要求1至4中任意一者所述的方法，其特征在于，在步骤二中，获取所述流场具体包括：
在进行数值模拟的计算程序中设置每计算一步记录对应时刻的流场，以获取非定常流动下每个时刻的流场。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤三具体包括：
针对每个时刻，将该时刻的流场导入tecplot软件进行分析；
针对每个时刻，通过对该时刻流场特征的分析，选取特征面；
计算每个时刻的流场的特征面流场信息，所述特征面流场信息包括特征面的压力、密度、温度、能量、速度。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤四具体包括：
对不同时刻的特征面流场信息按照时间顺序编号；
设置期望输出的模态阶数；
将编号后的不同时刻的特征面流场信息导入动态模态分解(DMD)程序进行流动模态分解；
根据单位圆以及模态能量，确定期望输出的模态阶数的模态。
8.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：
存储器，存储有可执行指令；
处理器，所述处理器运行所述存储器中的所述可执行指令，以实现权利要求1-7中任一项所述的基于飞行器振荡频率分析动稳定性的方法。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-7中任一项所述的基于飞行器振荡频率分析动稳定性的方法。
10.一种基于飞行器震荡频率分析动稳定性的装置，其特征在于，包括：
数据获取单元，用于获取对飞行器模型进行数值模拟所需的数据；
流场获取单元，用于基于所述数据对所述飞行器模型进行数值模拟，并获取在不同攻角下所述飞行器模型处于不运动状态时和处于不同振荡频率的振荡运动时的流场，所述振荡运动的振幅在预定振幅范围内；
特征面信息获取单元，用于获取所述流场的特征面流场信息；
流动模态分解单元，用于对所述特征面流场信息进行流动模态分解，得到所述飞行器模型在不同振荡频率下的流动模态；
频率动导数关系单元，用于基于所述流动模态重构流场，得到不同振荡频率下的流动模态与俯仰动导数间的关系；
动稳定性分析单元，用于基于所述俯仰动导数分析所述飞行器模型的动稳定性。
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