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、流體力學中大量問題涉及到動邊界，對這類問題的研究有很重要的理論和應用價值。超聲速流中剛體系統(tǒng)的分離運動不僅存在動邊界，還涉及到激波、湍流等多物理過程相互作用，是一個具有挑戰(zhàn)性的課題。本文以大型復雜航天器隕落再入過程中的軌道預測和落點控制為研究背景，經(jīng)過合理簡化，研究了超聲速流中自由剛體系統(tǒng)和繩系剛體系統(tǒng)的動態(tài)分離過程。
　　軟件方面，首先開發(fā)了一個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)運動使用四階Runge-Kutta法

2、數(shù)值求解。通過實時操作剛體表面三角形網(wǎng)格，它能夠處理復雜形狀的剛體，且具備使剛體發(fā)生主動變形的能力。然后使用松耦合算法，將它與開源軟件包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，得到了一個可用于模擬三維動邊界問題的并行自適應流固耦合求解器。通過一系列數(shù)值實驗，驗證了程序的可靠性。

3、>　　自由剛體系統(tǒng)方面，模擬了不同構型的系統(tǒng)在四馬赫的超聲速流中的分離運動。著重研究了剛體的側向速度和流向速度與剛體的質(zhì)量比、初始間距和旋轉(zhuǎn)運動的關系。通過定性和定量分析，加深了對自由剛體系統(tǒng)分離運動過程的理解。研究結果發(fā)現(xiàn)，剛體的側向分離速度在其沿激波以類似“沖浪”的形式運動時達到最大。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動。剛體的形狀會影響物體的旋轉(zhuǎn)運動，旋轉(zhuǎn)運動又會進一步增大“沖浪”運動

4、產(chǎn)生的側向速度。研究結果還發(fā)現(xiàn)，在再入隕落飛行器返回地球時，對稱性更好的內(nèi)部組件的會使其散布范圍更小。
　　繩系剛體系統(tǒng)方面，模擬了不同構型的繩系系統(tǒng)在四馬赫的超聲速流中的分離運動。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、繩系長度的關系。通過定性和定量分析，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。對于由相同部件構成的剛