[发明专利]一种融合涡环和离散突风模型的低空风切变模型设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及方法发明领域，具体是一种融合涡环和离散突风模型的低空风切变模型设计，该发明设计一种贴合实际自然现象的低空风切变模型，可应用于飞行器对风切变危险的被动感知和规避性能的研究与测试。

背景技术

风切变是一种大气现象，是指大气中两点之间风速和风向上的变化，大小可以用两点间风速差除以距离或时间表示，包括水平风的垂直切变，水平风的水平切变，垂直风的切变。低空风切变是指600米以下的风切变，是与强对流天气、锋面天气、低急流、地理、环境因素有关的大气现象，严重危害飞机的起降过程。低空风切变由于发生突然、时间短、尺度小、强度大，当质量和惯性都较大的大中型飞机遇上时，往往由于飞行高度太低，缺乏足够的空间进行机动而发生事故。飞行中要求飞行人员能够及时的发现它并尽量避免,以确保飞行安全。

对风切变建模研究是飞机安全驾驶研究的基础，为飞机遭遇风切变判断与逃逸提供理论基础，对减少飞机风切变相关的事故具有重要意义。

相关文献《低空风切变下大型飞机建模、危险探测与控制律研究》中提出了基于涡环方法建立低空风切变模型，该方法是把风切变场视为不可压、无粘、无旋的位流场，这种基于涡环的方法涡环中心的强度是固定不变的。但考虑到实际的自然现象，风切变的中心强度并不是一成不变，它会随着时间的变化而变化，因此该模型与真实状况的风切变影响有很大差别，不能逼真的反映真实 情况，进而不能有效测试飞机飞行各阶段对风切变危险感知和规避性能。

发明内容

发明创造的目的

基于风切变对飞机飞行各阶段安全性能影响的严重性，以及现有模型存在的严重不足，本发明提出融合涡环和离散风模型的风切变模型设计。该设计改变了原有模型涡环中心风速固定的缺陷，更贴近实际自然现象，可通过调节涡环的中心速度，灵活构造不同的风切变模型。

本发明以对飞机飞行各阶段的安全性能有威胁影响的风切变这一因素为研究对象，针对目前已提出相关模型的严重缺陷，提出改进的融合离散突风和涡环风切变模型，大幅提高了风切变模型与实际自然现象中的风切变的贴合程度，为模拟进行飞机飞行对风切变危险感知和规避性能测试提供了更为真实有效的风场。且本发明提出的风切变模型除涡环中心的风速可随时间的改变而改变，还可灵活调节涡环中心与离散突风模型中心的相对位置，从而改变飞机所受的风切变影响。相比于已有的风切变模型，本次发明的真实性和有效性都有了大幅度提高，更符合实际情况，对提高飞机飞行的安全性能测试结果的准确性和有效性具有重要意义。

技术方案

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种融合涡环和离散风模型的风切变模型，主要包括微下击暴流模型和离散突风模型。所谓离散突风，是指短时间内大气中各方向的风速发生剧烈变化的气流。由于大气运动的不稳定性，风速是随时间发生变化的。在飞行品质鉴定、飞机强度计算和飞行控制系统设计中，广泛使用所谓的离散风模型。其中， 微下击暴流模型将风切变视为不可压、无粘、无旋的位流场，不考虑温度变化。

一种融合涡环和离散突风模型的低空风切变模型设计方法，包括微下击暴流模型和离散突风模型的设计，具体设计步骤如下：

步骤一，在以跑道入口为原点、进近方向为+XR轴的跑道坐标系下建立涡环；所谓涡环是指由下沉气流产生，接近地面后向四周辐散开并卷起，在地面上方形成一个涡环区；

设地面上方位于O_p＝(x_p,y_p,z_p)^T，涡环半径为R的主涡环曲线方程

飞机重心处的流线方程为

其中，涡环强度Γ由预先设定的涡环中心垂直速度V_wz0和涡环半径R确定：

Γ＝2RV_wz0

r_max、r_min为空间内任意一点O_A到主涡环的最大和最小距离；F(k)为椭圆积分函数，其中：

当0≤k≤1时，F(k)可以近似为：

步骤二，取定涡环中心、涡环半径，以及中心垂直风速，可以得到涡环中心强度固定不变的涡环模型；

步骤三，配置镜像涡环；为了使风矢量满足地面边界条件，即Vz＝0，在与 主涡环中心相对于地面对称的位置配置镜像涡环；

步骤四，引入离散突风模型；

全波长的离散突风模型为

半波长离散突风模型为