1.1 研究背景

降落伞是一种制造简单、成本低廉,且减速稳定效果非常良好的一种气动力减速装置，其广泛应用于国防建设、经济建设和科学研究之中。例如：救生伞保证飞行员的安全,阻力伞保证飞船的安全回收，高层逃生等。

目前，随着城市化进程，全国各类大小城市的高层或超高层建筑越来越多，人们大多住在楼房、高层楼房或超高层楼房内。城市楼房在解决了人多地少，节省土地问题的同时，也给居住高楼或在高楼办公的人们留下了危险和隐患。对于那些居住在高楼中的人们来说，当发生火灾、地震等突发灾难时，逃生通道无法逃生或者来不及从逃生通道逃生的情况下，逃生者只能等待消防救援人员通过云梯实施救援。在云梯无法达到的高度，救援就无法进行。

近几年全国各地发生的高层建筑重大火灾所造成的财产损失和人员伤亡，更是引起了全社会的重点关注。2010年11月15日下午2时15分许，上海静安区胶州路728号的一栋28层民宅发生严重火灾，起火点位于10-12层之间，大火持续了3个多小时最终导致53人遇难，70多人受伤接受治疗。2019年3月14日，河南省开封市的一所小区内，其中一栋高层居民住宅楼因为电动车充电着火，楼梯间具有虹吸效应致使火灾瞬间蔓延至楼顶，造成大量财产损失。上述种种事件中，如果在相应高楼内设置了逃生装置，或许就没有这么多损失和伤亡。因此，研究一种“高楼逃生伞”显得尤其重要。

1.2高空降落伞建模与仿真分析

对降落伞的研究有一段历史了，张红英[1]等人对降落伞的3种充气理论进行了详细的说明并认为未来的降落伞开伞动载理论发展趋向更少的实验数据依靠和更多的计算机仿真技术仿真。

2005年兴起ALE方法模拟三维降落伞开伞过程，国内秦子增，曹义华，余莉等人做了大量研究工作，程涵，余莉[2] 等人基于ALE方法对折叠降落伞的展开充气过程进行流固耦合计算，模拟了无限质量情况下不同风速、不同引导伞作用下的开伞情况，计算的结果证明了引导伞经验设计的有效性，但同时也发现由于经验设计过于粗糙导致的个别情况下出现的不良充气现象。

郁洪轩[3] 则针对降落伞开伞过程，应用流固耦合技术，展开一系列工作，最终所得出的结论有：1.充气过程中伞衣内外产生一对大小相等、方向相反的涡旋。伞衣内部涡逐渐减小，向伞顶运动，伞衣外部涡渐渐长大，向尾流方向运动；2.伞衣充气过程中伞顶先充气，再向伞底膨胀，伞顶呈现一张一缩的呼吸现象；3.在保证下落速度的前提下适当的增加伞的结构透气量将有利于伞稳定性的提高。

史献林，余莉[4]等人针对降落伞的主伞拉直过程，在建模中将降落伞视为由质点系构成的刚体，根据动量矩定理，推出六自由度的降落伞点系动力学方程，进而建六自由度变质量动力学方程。文中使用Matlab软件，验证了动力学模型的正确性并仿真，在空投实验的条件下通过了正确性和仿真结果有效性的验证。

国内李晓勇，曹义华[5]等对稳定下降阶段流场数值进行模拟：采用有限体积法求解不可压流的N-S方程，采用Spalart-Allmaras(SA)模型作为湍流模型,以模拟降落伞稳定下降阶段时的流场特性，最终流场的计算结果与试验数据基本一致，表明了此方法的有效和可行性。

针对降落伞研究过程中不可避免的流固耦合问题，SHERIDAN John[6] 提出一种基于半隐式压力连接方程（SIMPLE）算法的降落伞流固耦合（FSI）问题的数值模拟方法，并通过这种新方法对扁平圆形降落伞和锥形降落伞进行建模和模拟，Tezduyar,Tayfun E[7] 等人基于稳定的时空FSI（SSTFSI）技术和界面投影技术对环形降落伞进行FSI建模，得到一种新的流固耦合模型。在文献[8] 一文中，Tezduyar, TayfunE.等人结合 SSTFSI（由先进流动模拟和建模团队（T* AFSM）开发的稳定时空流体结构相互作用）技术和空气 - 织物相互作用原理，开发了一种界面投影技术用来更好的进行流固耦合建模以及研究，作为展示界面投影技术如何工作的测试案例，文章对帆和环形降落伞进行了试验说明。文献[9, 10] 分别讲述了以解决在流体结构相互作用（FSI）计算中提出的结构接触挑战而开发的一种表面边缘节点接触跟踪（SENCT）技术以及一种用于降落伞系统空气动力学中遇到的FSI并行三维计算的有限元方法。

文献[11] 采用拉氏有限元网络描述织物和空气建立数学模型，采用基于接触算法的流固耦合算法，以经典平面圆伞C9伞为研究对象进行了其展开过程的仿真，获得瞬态流场变化以及应力、应变及形状变化情况，并用空投试验验证了计算结果的准确性和可靠性。