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民用飞机水上迫降数值仿真研究进展

时间:2017-11-27  作者:佚名

论文摘要:水上迫降已经成为现代客机适航认证中的一个重要项目,本文综述了国内外在民用飞机水上迫降数值研究方面的进展及研究方向。飞机水上迫降属于典型的入水冲击问题,由于理论分析无法适用复杂的三维模型入水问题,而模型试验的设计制造复杂、周期长且需耗费大量资金时间,相比之下,成本低廉且灵活方便的数值仿真技术得到广泛应用,并将成为研究飞机水上迫降的重要方向。

关键词:水上迫降,数值仿真,研究进展

0引言

水上迫降是指陆基飞行器在水面上的可控紧急降落。自上世纪50年代初期,多发喷气运输机引入到民用航空领域后,民用运输机的跨水域飞行越来越普遍,从而增加了水上迫降的概率[1]。水上迫降时很可能产生巨大的冲击加速度以及机身结构破坏,人员生命安全受到极大威胁。各国在制订民用运输机适航条例时,要求民用运输机跨水域飞行必须通过水上迫降性能适航审定。我国民用飞机适航条例[2]CCAR25.801(c)规定,固定翼运输机必须通过模型试验,或与已知其水上迫降特性的构形相似的飞机进行比较,来检查飞机在水上降落时极可能的运动和状态。

1水上迫降研究背景

飞机水上迫降属于典型的入水冲击问题,目前存在的研究方法有以下三种:理论分析、模型试验和数值模拟。上世纪20年代起就有了入水冲击问题相关的理论分析方法[3],然而理论分析主要集中在研究二维楔形或者圆形截面的物体垂直入水,而民用飞机水上迫降问题结构复杂、气动力不可忽略、且以水面滑行运动为主,理论分析手段无法适用,因此早期关于民用飞机水上迫降性能的研究,基本都采用动力相似模型试验的方法[4]。但水上迫降试验模型设计和制造复杂、周期较长,试验需要重复多次用于研究各种因素对迫降过程的影响,耗费大量的资金和时间,因此,欧美国家开始尝试先进分析技术来部分或完全替代模型试验。随着计算理论和计算机硬件技术的发展,动态数值仿真技术的发展为研究飞机水上迫降性能提供了新的途径。与模型试验相比,数值仿真方法成本低廉、灵活方便,不仅可以给出相关的冲击载荷,还可以详细地展示迫降的动态过程和流场结构等,在水上迫降研究领域得到越来越广泛的应用。

2水上迫降数值仿真方法

水上迫降问题本质上是入水冲击问题,目前的数值模拟方法大致可分为以下几类:边界元法、有限元法、光滑粒子水动力学法和有限体积法。

边界元法在早期的数值模拟中得到了大量应用。该方法认为在着水冲击的短时间内惯性力占主导作用而忽略粘性力,从而利用不可压势流理论。但波浪翻转后产生旋度不满足势流理论。若切断波浪飞溅产生的射流继续计算则会影响物体表面压强分布及质量守恒。因此,该方法对于自由表面飞溅和破碎问题的完整描述还存在困难。

有限元法创始于上世纪50年代,最早应用于结构力学,近年来也开始应用于流体动力学问题,应用于着水冲击问题的计算。但该方法需要解决接触算法中的渗漏问题,而且对水面的模拟精度有限,压强等数据会因为网格密度问题出现较严重的波动。

光滑粒子水动力学法(SPH)不采用传统方法用网格来计算导数,避免了复杂三维网格生成困难、大变形和不连续等问题。在模拟复杂自由表面流体问题时对自由表面波的翻卷、破碎、飞溅等细节的模拟体现出较好的适应性。但在模拟气垫和吸力时有很大缺陷,严重影响对运动姿态和冲击压强的模拟。

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