飞机结冰严重威胁飞机的飞行安全。本书以典型大型民用客机为研究对象，系统介绍了研究飞机结冰动力学特性与飞行安全的相关理论与数值模拟及试验方法。内容包括：飞机翼面结冰的复杂失速分离流场及空气动力学特性、飞行动力学特性及空气动力学与飞行动力学非线性耦合特性，结冰条件下人机闭环系统的建模与仿真方法，基于极值理论的结冰飞行风险量化评估方法。构建了结冰分布式飞行仿真系统和风洞虚拟飞行试验系统，开展了大量模拟结冰飞行仿真试验和虚拟飞行试验，为开展飞机结冰致灾机理研究提供了理论支撑。
样章试读
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丛书序
前言
缩略语表
第1章 绪论 1
1.1 问题的提出 1
1.2 飞机结冰特征及致灾机理 6
1.3 翼面结冰状态分离流动演化特征 9
1.3.1 翼型结冰状态分离流动 9
1.3.2 后掠翼结冰状态分离流动 12
1.4 翼面结冰状态气动特性及分离流场数值模拟研究 14
1.4.1 基于 RANS 方法的宏观气动特性模拟 15
1.4.2 基于 RANS/LES 混合方法的分离流场精细模拟 17
1.5 飞机结冰空气动力学/飞行动力学非线性耦合特性数值模拟研究 21
1.5.1 结冰对飞机飞行动力学特性的影响 21
1.5.2 飞机气动/运动耦合动力学特性的数值模拟研究 23
1.6 飞行风险定量评估研究现状 26
1.7 风洞虚拟飞行试验技术研究现状 27
1.8 研究工作简介 30
第2章 结冰状态复杂分离流场及空气动力学特性分析方法 32
2.1 前缘角状冰翼型计算模型 32
2.2 翼型结冰状态多块结构化计算网格 34
2.3 基于 RANS 方法的结冰翼型宏观气动特性分析 36
2.4 基于 RANS/LES 混合方法的结冰翼型临界失速分离流场分析 41
2.4.1 湍流模拟方法影响分析 41
2.4.2 高阶空间格式影响分析 45
2.4.3 计算网格分辨率影响分析 49
2.5 本章小结 56
第3章 翼型结冰状态失速分离复杂流场结构影响机制研究 57
3.1 GLC305-944 结冰翼型失速阶段大尺度分离泡演化过程 57
3.1.1 结冰翼型失速阶段大尺度分离泡结构扩张时均特征 58
3.1.2 湍流平均统计量分布特征 70
3.1.3 瞬态流场结构演化过程 73
3.2 不同冰形–翼型组合条件下的分离流场结构 82
3.2.1 冰形–翼型组合几何特征及计算网格 82
3.2.2 宏观分离流场时均特征对比 84
3.2.3 湍流平均统计量分布特征对比 92
3.2.4 瞬态流场结构对比 95
3.3 本章小结 104
第4章 大型客机后掠翼结冰状态宏观失速特性研究 106
4.1 大型客机机翼结冰构型构造及风洞测力试验 106
4.2 机翼结冰状态失速特性变化规律 108
4.2.1 全机构型多块结构化计算网格 108
4.2.2 数值模拟方法验证及雷诺数效应影响分析 110
4.2.3 机翼结冰状态失速特性变化规律 115
4.3 后掠翼结冰失速分离基本流动形态 118
4.3.1 失速阶段翼面分离流动结构演化过程 118
4.3.2 失速阶段分离流场空间结构演化过程 125
4.4 本章小结 127
第5章 结冰条件下人机闭环系统建模方法 129
5.1 驾驶员操纵行为分析与建模 129
5.1.1 驾驶员补偿操纵行为特性分析 129
5.1.2 驾驶员操纵行为参数模型 130
5.1.3 驾驶员操纵行为参数提取 132
5.2 飞机本体动力学建模 135
5.2.1 飞机本体模型 135
5.2.2 发动机模型 137
5.2.3 增稳控制律 137
5.3 结冰影响建模 140
5.3.1 翼面结冰影响分析 140
5.3.2 翼面结冰影响模型 146
5.3.3 平尾结冰影响分析 151
5.3.4 平尾结冰影响模型 156
5.4 本章小结 156
第6章 结冰条件下飞行动力学特性分析 157
6.1 结冰条件下飞行品质分析 157
6.1.1 等效系统拟配 157
6.1.2 纵向飞行品质 158
6.1.3 横航向飞行品质 159
6.2 翼面结冰对飞行品质影响及案例分析 162
6.2.1 小扰动方程线性化 162
6.2.2 翼面结冰对飞机模态特性的影响 163
6.2.3 翼面结冰对飞机配平状态的影响 165
6.2.4 高度保持模式结冰飞行仿真案例分析 166
6.2.5 滚转姿态保持模式结冰飞行仿真案例分析 167
6.3 平尾结冰动力学仿真案例分析 169
6.3.1 平尾结冰对配平状态影响案例分析 169
6.3.2 平尾结冰巡航状态仿真案例分析 171
6.3.3 平尾结冰升降舵单位阶跃操纵仿真案例分析 171
6.4 本章小结 172
第7章 结冰条件下空气动力学与飞行力学非线性耦合仿真研究 173
7.1 气动/运动耦合数值计算方程 173
7.1.1 飞机运动与流场耦合控制方程组 173
7.1.2 非定常 N-S 方程时间推进方法 174
7.1.3 飞行动力学方程时间推进方法 177
7.2 气动/运动一体化耦合计算方法 178
7.2.1 松/紧耦合计算方法 178
7.2.2 不同时间精度和耦合形式的计算方法 179
7.2.3 MPI 并行计算技术 180
7.2.4 耦合计算方法的算例验证 180
7.3 机翼前缘结冰条件下飞机的气动/运动的耦合特性分析 183
7.3.1 机翼带冰构型全机三维数模及结构化网格生成方法 184
7.3.2 非定常气动力求解器与飞行动力学仿真平台的开发 186
7.3.3 机翼前缘结冰的耦合计算案例 187
7.4 本章小结 198
第8章 结冰条件基于极值理论的飞行风险量化评估方法 199
8.1 结冰条件下基于蒙特卡罗仿真的飞参极值提取方法 199
8.1.1 极值参数提取 199
8.1.2 极值参数可信度验证 201
8.1.3 极值参数的分布特点 203
8.2 基于一维飞参极值的结冰风险量化评估方法 205
8.2.1 一维极值分布模型 205
8.2.2 一维极值模型拟合优度检验 207
8.2.3 翼面结冰条件下的风险概率评估分析 210
8.3 基于二维飞参极值的结冰风险量化评估方法 211
8.3.1 二维极值分布模型 211
8.3.2 二维极值模型拟合优度检验 212
8.3.3 平尾结冰条件下的风险概率评估分析 214
8.4 基于多维飞参极值的结冰风险量化评估方法 215
8.4.1 结冰情形下三维极值参数模型 215
8.4.2 多维极值模型拟合优度检验 219
8.4.3 基于多元极值 Copula 模型的飞行风险概率 220
8.5 本章小结 222
第9章 结冰条件下人--机--环复杂系统分布式飞行仿真方法 223
9.1 分布式飞行仿真系统总体框架 223
9.2 分布式飞行仿真系统组成 224
9.2.1 主仿真节点的构建 224
9.2.2 控制台节点构建 226
9.2.3 视景显示节点 227
9.2.4 风险识别与告警系统 229
9.2.5 模拟座舱及虚拟飞行仪表 231
9.2.6 综合态势显示系统 233
9.2.7 数据库存取及管理节点 235
9.3 结冰条件下的飞行事故情境模拟复现 235
9.3.1 机翼结冰条件下的飞行事故模拟 235
9.3.2 副翼夺权条件下的飞行事故模拟 236
9.4 本章小结 238
第10章 背景飞机动力学相似模型构建 239
10.1 动力学相似准则 239
10.1.1 动力学相似准则简介 239
10.1.2 动力学相似模型参数计算 244
10.2 动力学相似模型设计与加工要求 244
10.2.1 动力学相似模型设计 244
10.2.2 动力学相似模型加工 246
10.2.3 质量特性参数模拟 246
10.3 背景虚拟飞行模型设计 248
10.3.1 背景飞机基本参数 248
10.3.2 动力学相似模型参数 249
10.3.3 动力学相似模型 250
10.3.4 机翼/平尾模拟冰形 251
10.4 虚拟飞行试验模型 252
10.5 本章小结 253
第11章 背景飞机低速风洞测力试验 254
11.1 低速风洞测力试验设备 254
11.1.1 风洞 254
11.1.2 支撑系统 254
11.1.3 风洞测控系统 254
11.1.4 天平 255
11.1.5 倾角传感器 255
11.2 低速风动测力试验内容与方法 256
11.2.1 试验内容 256
11.2.2 试验条件 257
11.2.3 试验方法 257
11.3 试验数据处理流程与方法 257
11.3.1 轴系定义 257
11.3.2 数据处理流程 258
11.3.3 特征值求导范围 258
11.3.4 试验结果数据存储格式 258
11.4 模型基本气动特性分析 258
11.4.1 重复性精度 258
11.4.2 基本状态气动特性 259
11.4.3 升降舵效率 261
11.4.4 副翼效率 263
11.4.5 方向舵效率 265
11.4.6 气动力特性总结 266
11.5 本章小结 267
第12章 风洞虚拟飞行动力学建模与控制设计 268
12.1 风洞虚拟飞行动力学建模 268
12.1.1 动力学建模功能需求 268
12.1.2 动力学建模总体方案 268
12.1.3 动力学建模实现 272
12.2 背景飞机动力学特性分析 279
12.2.1 配平特性 279
12.2.2 稳定性分析 282
12.2.3 模态特性分析 283
12.3 风洞虚拟飞行控制律设计 287
12.3.1 控制律设计输入 287
12.3.2 控制律相似变换 289
12.3.3 PID 控制律设计与仿真 292
12.3.4 L1 控制律设计与仿真 302
12.4 本章小结 312
第13章 模拟结冰条件下操稳特性风洞虚拟飞行验证 313
13.1 风洞虚拟飞行试验系统 313
13.1.1 风洞及虚拟飞行试验能力 313
13.1.2 模型支撑系统 314
13.1.3 虚拟飞行控制系统 316
13.2 风洞虚拟飞行试验内容与方法 320
13.2.1 试验内容 320
13.2.2 试验方法 321
13.2.3 试验条件 321
13.2.4 试验步骤 321
13.3 虚拟飞行试验结果与分析 323
13.3.1 大迎角非定常气动特性试验 323
13.3.2 俯仰极限环振荡抑制试验 325
13.3.3 三轴姿态稳定/跟踪控制试验 327
13.4 本章小结 330
参考文献 331
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