雷達(dá)天線風(fēng)載特性的數(shù)值計(jì)算方法及應(yīng)用研究.pdf

1、為將計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)應(yīng)用于雷達(dá)天線風(fēng)載計(jì)算領(lǐng)域，本文以計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和平穩(wěn)隨機(jī)過程模擬理論為基礎(chǔ)，研究了天線風(fēng)載的數(shù)值計(jì)算方法。采用雷諾平均模擬法，提出了天線平均風(fēng)載的數(shù)值計(jì)算方法；根據(jù)工業(yè)風(fēng)洞與大氣邊界層風(fēng)洞入口來流的不同，采用數(shù)值風(fēng)洞模擬了天線在不同風(fēng)洞中風(fēng)載特性；結(jié)合CFD技術(shù)及勢(shì)流理論，提出應(yīng)用于工業(yè)風(fēng)洞試驗(yàn)的天線平均風(fēng)載特性洞壁干擾修正方法；基于準(zhǔn)定常假設(shè)，提出利用定常數(shù)值計(jì)算方法求解大氣邊界層中天線風(fēng)載時(shí)程的方法；基

2、于湍流來流合成法，提出采用大渦模擬計(jì)算大氣邊界層中天線風(fēng)載時(shí)程的方法，并以此指導(dǎo)天線結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　本文主要對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行了深入研究：
　　1.工業(yè)風(fēng)洞中天線平均風(fēng)載數(shù)值模擬方法的研究
　　根據(jù)課題組前期研究成果，構(gòu)建天線風(fēng)載數(shù)值計(jì)算幾何模型，利用網(wǎng)格自動(dòng)生成及人工干預(yù)的方法劃分計(jì)算網(wǎng)格，設(shè)定計(jì)算邊界條件及壁面函數(shù)，選擇湍流計(jì)算模型及求解方法，設(shè)定計(jì)算控制參數(shù)，利用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，并與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)

3、果進(jìn)行比較，從而提出天線風(fēng)載數(shù)值計(jì)算方法。
　　2.工業(yè)風(fēng)洞與大氣邊界層風(fēng)洞中天線平均風(fēng)載特性的數(shù)值模擬研究
　　根據(jù)天線在不同風(fēng)洞中的試驗(yàn)條件，確定其相應(yīng)試驗(yàn)參數(shù)(平均風(fēng)速剖面和湍流強(qiáng)度等)，以此為風(fēng)洞來流條件，采用數(shù)值方法得到天線在不同風(fēng)洞中的風(fēng)載特性。比較在工業(yè)風(fēng)洞和大氣邊界層風(fēng)洞中的天線風(fēng)載數(shù)值計(jì)算結(jié)果，為天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。
　　3.工業(yè)風(fēng)洞中天線風(fēng)載的壁面干擾效應(yīng)修正方法的數(shù)值研究
　　由于風(fēng)洞試

4、驗(yàn)中壁面對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)得到的天線風(fēng)壓與實(shí)際風(fēng)壓存在偏差。根據(jù)風(fēng)壓分布規(guī)律以及數(shù)值計(jì)算得到的基本壓力系數(shù)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式，結(jié)合勢(shì)流模型理論，求得無阻塞的天線實(shí)際阻力系數(shù)；通過重新規(guī)整風(fēng)壓系數(shù)，消除壁面干擾的影響，得到無阻塞的天線風(fēng)壓系數(shù)分布。
　　4.基于準(zhǔn)定常假設(shè)的大氣邊界層中天線風(fēng)載時(shí)程數(shù)值模擬研究
　　采用Kaimal風(fēng)速功率譜，利用諧波合成法模擬天線表面風(fēng)速時(shí)程?；跍?zhǔn)定常假設(shè)，結(jié)合天線風(fēng)壓的定常數(shù)值計(jì)算結(jié)果，得到

5、與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較吻合的天線風(fēng)壓及風(fēng)載時(shí)程。
　　5.基于合成湍流來流的大氣邊界層中天線風(fēng)載時(shí)程大渦數(shù)值模擬研究
　　以人工合成湍流來流為計(jì)算域邊界條件，采用介于模式計(jì)算及直接數(shù)值模擬的大渦數(shù)值模擬方法，對(duì)相控陣天線風(fēng)壓及風(fēng)載時(shí)程進(jìn)行計(jì)算，并與標(biāo)準(zhǔn)模型風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果比較。
　　以上研究提出了天線平均風(fēng)載的數(shù)值計(jì)算方法，利用數(shù)值方法研究了天線在不同風(fēng)洞中的風(fēng)載特性，消除了洞壁干擾對(duì)天線平均風(fēng)壓與風(fēng)載數(shù)值計(jì)算結(jié)果的影響；從定常和

6、非定常數(shù)值模擬的角度提出獲得大氣邊界層中天線風(fēng)載時(shí)程的數(shù)值計(jì)算方法，其研究結(jié)果對(duì)天線風(fēng)振時(shí)域分析以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。
　　本文的創(chuàng)新點(diǎn)概括如下：
　　1.提出了工業(yè)風(fēng)洞中天線平均風(fēng)載的數(shù)值計(jì)算方法
　　基于有限體積數(shù)值計(jì)算方法，選取相應(yīng)的湍流模型并以壁面函數(shù)處理近壁面流動(dòng)，計(jì)算了天線的平均風(fēng)壓及風(fēng)載。計(jì)算結(jié)果與天線風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，獲得較為滿意的結(jié)果。該項(xiàng)研究以數(shù)值風(fēng)洞方法開展天線風(fēng)載特性的計(jì)算，進(jìn)一步完

7、善了天線風(fēng)載的研究手段。
　　2.提出了基于 CFD技術(shù)的工業(yè)風(fēng)洞中天線平均風(fēng)載的壁面阻塞效應(yīng)修正方法
　　通過定常數(shù)值計(jì)算得到基本壓力系數(shù)在不同阻塞條件下的變化規(guī)律，結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，提出修正阻塞下天線風(fēng)壓及風(fēng)載風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的方法，通過與試驗(yàn)結(jié)果比較，驗(yàn)證了該方法的可行性和正確性。
　　3.提出了基于雷諾平均模擬法的大氣邊界層中天線風(fēng)載時(shí)程數(shù)值計(jì)算方法
　　采用Kaimal風(fēng)速功率譜，利用諧波合成法模擬天線表面

8、風(fēng)速時(shí)程?；跍?zhǔn)定常假設(shè)，結(jié)合天線平均風(fēng)壓的定常數(shù)值計(jì)算結(jié)果，得到與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較吻合的天線順風(fēng)向風(fēng)壓及風(fēng)載時(shí)程。根據(jù)風(fēng)場(chǎng)各向同性的性質(zhì)，相應(yīng)得出作用于天線的橫風(fēng)向風(fēng)載。通過與標(biāo)準(zhǔn)模型試驗(yàn)結(jié)果比較，驗(yàn)證了此方法的有效性，并揭示其應(yīng)用上的局限性。
　　4.提出了基于大渦模擬的大氣邊界層中天線風(fēng)載時(shí)程數(shù)值計(jì)算方法
　　基于Kaimal風(fēng)速功率譜及空間相關(guān)性，采用諧波合成法模擬不同布置空間點(diǎn)順風(fēng)向及橫風(fēng)向風(fēng)速，以此為數(shù)值模型入口的湍