文档介绍：民用飞机设计与研究CivilAircraftDesignandResearch某型客机水上迫降的着水冲击力学性能数值研究屈秋林刘沛清郭保东程丽(北京航空航天大学航空科学与工程学院)摘要:数值模拟某型客机在平静水面上的迫降过程,研究俯仰角对着水冲击力学性能的影响规律。控制方程选为非定常不可压缩流动的RANS方程和标准k-湍流模型,使用VOF方法捕捉自由水面,利用动网格技术处理飞机和水面之间的相对运动。俯仰角增加,飞机水上迫降过程中的最大纵向力单调增加,最大法向力、最大低头力矩和表面最大冲击压力均先增加后减小,因此该飞机适宜以较大俯仰角进行水上迫降。关键词:大型客机;水上迫降;着水冲击;自由水面;数值模拟0引言大型客机在水域上方飞行,如果出现全部发动机同时停车或者燃油耗尽的情况,必须进行水上迫[1]降。迫降过程中,飞机会受到很大的水体冲击力,发生不同程度的破坏,给乘客和机组成员的生命安全带来极大威胁。因此,世界各国都把水上迫降内容编制进客机的适航规范,将其作为取得适航证的一个重要条件[2]不同形状物体(楔形体、圆柱体和圆锥体)冲击水面的力学问题。本文数值求解RANS方程和标准k-湍流模型,使用VOF法捕捉自由水面,模拟某型客机在平静水面进行迫降的过程,研究俯仰角对着水冲击力、表面冲击压力的影响规律,以及迫降过程中自由水面的变化规律。。1物理问题飞机水上迫降是一个动力学和运动学的耦合过程。为了简化问题,本文只考虑飞机固定轨迹变减速进行水上迫降的动力学问题,即事先给定飞机的加速度、速度和位移随时间的变化规律,研究俯仰角对迫降力学性能的影响。某型客机的几何外形如图1所示,在水上迫降过程中,发动机关闭,起落架收起,前后缘襟翼采用最大偏角。机体坐标系选取如图2所示,原点位于机头顶点,x轴平行于水平面指向尾部,y轴位于飞机对称面内铅垂向上,z轴由右手坐标系确定。飞机进行水上迫降,其表面压力分布、冲击力、运动速度和运动姿态以及水面形状等均随时间发生快速变化,是一类典型的物体高速冲击水面的问题。SeddonandMoatamedi较为全面地回顾了物体冲击水面力学性能的研究工作。在理论分析方面,VonKarman首先基于动量守恒定理和附加质量概念,对水上飞机浮筒的着水冲击力进行了研究,后人以此为基础开展了大量的工作。在模型实验方面,Thompson、Fisherand[6、7]Hoffman采用动力相似模型,在Langley2号水池研究B-707,DC-4和DC-6等飞机的水上迫降性能。结果表明,为了减小飞机的最大纵向加速度和滑行距离,襟翼应该采用最大偏角,为了避免俯冲现[8]象,起落架应该收起;,并利用实验和有限元分析对其进行了证[9]明。在数值模拟方面,Ghaffari利用面元法模拟航天飞机水上迫降过程中的气动/水动载荷;WinnandKohlman[10][5][4][3]使用经验公式计算飞机和汽车撞击水面时受到的冲击力,求解运动方程得到了飞机和汽车的运动速度和运动姿态随时间的变化规律;[11]使用VOF法捕捉自由水面,数值研究图1某型客机的几何外形屈秋林等:某型客机水上迫降的着水冲击力学性能数值研究=+u=0iDti(3)使用有限体积法离散控制方程,非定常项采用一阶隐式格式离散,对流项采用二阶迎风格式离散,扩散项采用二阶中心差分格式离散,压力速度耦合采用SIMPLE算法处理。图2坐标系示意图根据WinnandKohlman的研究成果如下:[10],水上迫降过程中可取飞机加速度随时间变化的表达式0,0£t<t1mt-,ax=mt2-2t2-tt1£t<t2t-t,t2£t<t3(1)0,t3£t0,0£t<t1t-,ay=t2-2t2-tt1£t<t2(1)纵向加速度t-t,t2£t<t3(2)0,t3£t其中,t1为飞机着水时刻,t2为加速度线性增加的结束时刻,t3为加速度减小到零的时刻,m和n分别为表征纵向(x向)和法向(y向)加速度线性增加幅度的特征值。加速度随时间的变化曲线如图3所示。速度随时间变化的表达式如下:u=u0+v=v0+adt0t0ytaxdt(3)(4)(2)法向加速度图3加速度随时间的变化曲线使用Gambit软件剖分计算网格。假定迫降过程中飞机不发生滚转及侧滑,因此可采用半模进行计算,以节省计算资源。使用动网格技术[12]其中,u0和v0分别为初始时刻的纵向速度和法向速度。t3时刻加速度和速度同时减小到零,即飞机静止。本文共研究了6个俯仰角(即机身轴线和平静水面之间的夹角)对飞机水上迫降性能的影响,分别是:=0、3、6、9、12和14。处理迫降过程中飞机和水面间的相对运动。为了保证网格变形过程中飞机附近网格的质量,将计算区域