AVL教学
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AVL使用说明
1．什么是AVL
AVL (Athena Vortex Lattice)是MIT的Mark Drela教授开发的一个气动分析程序。程序最初由Harold Youngren 1988年为MIT Athena TODOR 航空软件集编写。经过Mark Drela 和 Harold Youngren大量修改后，现在已发展到3.15版了。AVL的气动分析部分用FORTRAN编写而成，图形显示则是基于XWindows，用C语言编写，正是因为基于这两种以速度著称 的语言，AVL运算起来特别快。而且它的的跨平台性也比较好，在UNIX和Windows系统下都能运行。
2．AVL能做什么
AVL利用涡格法对给定的外形作气动分析，采用关键字描述几何外形，计算出数据并绘制图形，而且数据和图形都能够输出。这在计算后利用其结果十分方便。AVL具有为飞机外型快速分析的大量特性，主要的特征如下：
气动分力
升力面
细长体
外型描述
关键字驱动的几何外型输入文件
使用线形插值描述截面
截面特性
翼型可以是NACA xxxx, 或者来自于翼型输入文件
操纵面偏转
抛物线形剖面极线，尺度放缩
对整个表面或机身做缩放、平移、旋转
复制整个表面或机身
特性 马蹄涡 （表面）
源线+双合线 （机身）
有限主体选择
离散化
归一化
正弦
余弦
组合
操纵面偏转
通过倾斜法向量
前缘襟翼
后缘襟翼
铰轴线独立于离散过程
普通自由流描述
alpha, beta 气流角
p,q,r 飞机旋转分力
亚音速Prandtl-Glauert 可压缩流处理
空气动力分力输出
直接力和力矩
特瑞夫兹平面（Trefftz-plane）
力及力矩的导数，w.r.t自由流，旋转，控制力
在体坐标或固定坐标下
配平计算
控制变量
alpha, beta p, q, r
操纵面偏转
约束
对变量的直接约束
通过指定升力系数、力矩来间接约束
一次定义多个配平算例
保存配平算例设置以备以后调用
可选质量定义文件（仅在配平设置，模态分析中）
用户选择单位
逐条列出部件位置，质量和惯性
约束下的配平设置
平直或带斜坡的水平飞行
固定速率的俯仰飞行
模态分析
准稳定模型下的刚体分析
显示带参数的特征根级数
实时显示模态运动
输出动态系统矩阵
3．涡格法模型使用的原则
就如同其它数值算法一样，AVL的用处同样有所限制。在使用时必须牢记。
1）外型
涡格法主要适合于小攻角侧滑下的薄升力面组成的气动外形。外型表面及其拖曳出的尾迹构成单层的涡流面，可以离散成马蹄涡线，这些流线平行于x轴。AVL也能由源线和双合线模拟如机身或者发动机舱这类的细长体。合力和合力矩符合细长体理论。但对这种模型的认识相对有限，所以用它建模时尤其要注意。如果要求机身对气动载荷影响很小，最好还是不要使用AVL模型。
2）非定常流
AVL采取准稳定流计算，也就是非稳定的脱体涡会被忽略。更准确地说，它假设减小的频率受到限制，摆动（例如倾斜）必须足够慢，使得摆动的周期比流过机翼弦线的时间要长得多。这在实际上也跟任何期望的机动飞行相符。同样，用于计算的滚转、俯仰、偏航的速率必须很小而使气流角很小。它们可以用无量纲的滚转速率参数判断，这些量限制在如下经验范围：
-0.10 < pb/2V < 0.10
-0.03 < qc/2V < 0.03
-0.25 < rb/2V < 0.25
这些数据表明非常猛烈的机动飞行除了可能出现在低速飞行特技表演之外，一般都不会包括在任何典型的飞行任务中。任何情况下，如果其中的任何参数超过上述范围，结果都需要特别注意小心处理。
3）可压缩性
可压缩性使用 Prandtl-Glauert (PG) 变换处理，其相对重要性由PG因子 1/B
= 1 / sqrt(1 - M^2) 。其中“M”是自由流的马赫数。下表给出期望的有效范围:
M 1/B
___ _____
0.0 1.000 |
0.1 1.005 |
0.2 1.021 |
0.3 1.048 |- PG有效值
0.4 1.091 |
0.5 1.115 | 0.6 1.250 |
0.7 1.400 PG怀疑范围（气流可能接近音速）
0.8 1.667 PG不可靠范围（气流肯定是音速）
0.9 2.294 PG无效范围
对后掠翼的外型，PG模型的有效性适合用垂直翼马赫数衡量
Mperp = M cos(sweep)
只要Mperp < M，建模时后掠翼型可以比非后掠性适用于更高的马赫数。例如，
45度后掠翼在自由流M = 0.8时
Mperp = 0.8 * cos(45) = 0.566
仍然位于上面给出的PG有效范围内。这种情况下一般能给出合理的结果。
如果速率参数就位于最低马赫数，即M = 0.2以下，最好就设M = 0。这样可以加速计算，因为改变马赫数需要对VL影响线矩阵重新计算和重新分解因式，这些运算会抵消大部分的计算效果。如果马赫数保持不变，计算仅一次就能完成。
4．输入文件
AVL采用三种输入文件，它们都是纯文本格式。每个算例三个输入文件都需要同样的文件名“xxx”，而每个的扩展名及说明如下：
xxx.avl 必须的主要输入文件，定义几何外形。
xxx.mass 可选的输入文件。给出质量和惯性及尺寸单位。
xxx.run 可选的输入文件。定义算例的一些参数。
用户提供文件xxx.avl 和xxx.mass，这些文件一般由任何文本编辑器就可以创建。给出的算例文件可以作为使用的模板。xxx.run 文件是AVL在用户给的指令下创建的，它可以手动修改，但一般不需要这样做，更方便的办法是在AVL中改变它的内容然后重新写这个文件。
输入文件数据的具体格式参见AVL的使用说明。
5．飞机的气动计算过程
1）先建立飞机的外形文件，由于是低速飞机，所以M数取0。下面给出我们飞机建立模型的数据。
文件：bs.avl
Plane LanJian
#Mach
0.0
#iYsym iZsym Zsym
0 0 0
#Sref Cref Bref
19.3 1.7545 11.0
#Xref Yref Zref
0.0 0.0 0.0
#====================================================================
#====================================================================
SURFACE
Main Wing
# Nchordwise Cspace
10 1.0
YDUPLICATE
0.0
ANGLE
2.0
# -------------------------------------------------------------
SECTION
# Xle Yle Zle Chord Ainc Nspanwise Sspace
0.0 0.0 0.0 1.80 0.0 20 1.0
AFILE
epplear625.afoil
# -------------------------------------------------------------
SECTION
# Xle Yle Zle Chord Ainc Nspanwise Sspace
1.7 1.0 0.0 2.40 0.0 10 1.0
AFILE
epplear625.afoil
# -------------------------------------------------------------
SECTION
# Xle Yle Zle Chord Ainc Nspanwise Sspace
1.7 1.50 0.0 2.40 0.0 30 1.0
AFILE
epplear625.afoil
CONTROL
# Cname Cgain Xhinge HingeVec SgnDup
aileron -1.0 0.8 0.0 0.0 0.0 -1.0
# -------------------------------------------------------------
SECTION
# Xle Yle Zle Chord Ainc Nspanwise Sspace
4.05 5.5 0.0 1.2 0.0 0 0
AFILE
epplear625.afoil
CONTROL
# Cname Cgain Xhinge HingeVec SgnDup
aileron -1.0 0.8 0.0 0.0 0.0 -1.0
#====================================================================
#====================================================================
SURFACE
V-stab
# Nchordwise Cspace Nspanwise Sspace
10 1.0 20 1.0
YDUPLICATE
