自由面碎冰浮冰环境高速入水动力学特性

为了研究碎冰环境下航行体高速入水过程中的空泡流场演化、航行体动力学响应以及碎冰载荷特性等规律,基于任意拉格朗日-欧拉方法建立了碎冰环境下的航行体高速入水流固耦合计算模型,并与高速入水试验、冰材料三点弯矩试验对比验证了方法的有效性和冰材料模型的可靠性。利用构建完成的高速入水流固耦合计算模型重点研究了碎冰以及碎冰间隙对航行体入水过程流场、动力学参数以及载荷的影响。研究结果表明：碎冰的存在对航行体入水后的水面抬升以及产生的飞溅演化存在抑制作用;碎冰环境下航行体的入水冲击载荷显著增加,其过程相较于无冰环境具有更大的动能损耗,但其砰击载荷持续时间与无冰环境入水过程一致;入水形成的飞溅冠连续性随着碎冰间隙的增加而增加,一定碎冰间隙范围内,航行体瞬时砰击载荷与间隙大小呈负相关关系,间隙足够大时,砰击载荷变化相对较小。     

火箭发动机喷管非定常侧向力和流固耦合研究进展

为了提高现代火箭的运载性能,发动机趋于采用大面积比喷管。然而,大面积比喷管由于低空高背压会产生过膨胀现象,导致喷管内部流动分离的非定常和非对称特性,并且发生显著的侧向载荷问题,巨大的侧向载荷又引起喷管的流固耦合现象。总结了喷管流动分离的研究现状,阐述了不同时期喷管侧向载荷的研究目标及成果,并分析了引起喷管侧向载荷的因素。在侧向载荷分析基础上,进一步分析了喷管流固耦合问题的研究进展及方法,最后指出了所存在的科学问题,剖析了喷管侧向载荷设计的关键力学问题,并对今后喷管侧向力问题的研究方向提出了设想。     

一种求解低速跨流域流固耦合问题的离散统一气体动理学格式

运动边界及流固耦合问题是低速及高速、连续流域及稀薄流域流动中常面临的多场耦合问题。本文在原始离散统一气体动理学格式基础上，采用任意拉格朗日-欧拉方法及动网格技术，并耦合计算结构动力学，实现适用于低速流动运动边界及流固耦合问题的计算方法。在方法验证方面，进行连续流域圆柱绕流强迫振动和自由振动数值模拟，计算结果与参考文献结果吻合良好，准确捕捉圆柱在锁频区和非锁频区的流动特性。在稀薄流域范围，将方法中的连续流D2Q9离散速度模型替换成跨流域离散速度模型，对比低速圆柱绕流强迫振动算例在两种离散速度模型下的数值结果。虽主要关注低速流动问题，但发展的算法仍具备模拟高超声速运动边界问题的能力，对此进行了Ma=5.0稀薄流振动圆柱研究。低速和高速运动边界模拟能力显示了方法在考虑稀薄气体效应流固耦合问题方面的潜在应用价值。     

超弹性球体垂直入水空泡流动研究

采用实验与数值模拟相结合的方法,开展了超弹性球体低速垂直入水空泡流动研究。通过入水实验研究发现了超弹性球体入水后特有的球体变形行为和空泡形态。基于径向基函数的变形插值法和虚功原理的力映射法,对超弹性球体的入水过程进行了流固耦合数值模拟,并将入水空泡形态、位移和变形系数的数值结果与实验数据进行对比,验证了本文数值方法的有效性。在此基础上采用数值模拟方法开展了超弹性球体与刚性球体垂直入水流动特性的对比研究,结果表明:超弹性球体入水后由于变形行为及能量的损耗,使得形成的空泡长度比刚性球体小,空泡宽度比刚性球体大;超弹性球体入水后局部绕流与球体变形导致超弹性球体的表面压力变化范围要比刚性球体大。     

基于光滑粒子流体动力学的波浪中航行体入水数值模拟

航行体在波浪条件下高速入水的运动响应和载荷特性是其研发设计过程中需要重点考虑的问题,为了对该问题进行精准预测,采用无网格光滑粒子流体动力学（smoothed particle hydrodynamics, SPH）方法,提出了一种新型周期性波浪边界技术,利用四元数法计算物体六自由度运动,建立了波浪条件下入水模拟的数值水池。通过对静水中方块体垂直落水和航行体倾斜入水运动轨迹和冲击载荷的模拟,对比于实验参考结果,验证了数值模型的计算精度。随后,在SPH数值波浪水池中对航行体在不同波浪相位角下的高速入水过程开展研究,结果表明航行体弹道稳定性受到波浪相位角影响显著,0°相位角入水时弹道最为稳定。该新型SPH数值水池能够实现航行体波浪中入水过程的精确预报。     

风扇转子叶片防颤振设计技术

以某两级风扇为对象开展防颤振设计技术研究。风扇转子叶片设计中，选择了合适的展弦比，既考虑到气动性能水平，还考虑到结构质量和颤振稳定性。采用流固耦合能量法评估所设计风扇的各排转子叶片的颤振稳定性问题，并通过叶片厚度、三维造型、根尖弦长比等设计参数的调整消除颤振风险。研究结果表明:展弦比不应是方案设计阶段防颤设计唯一的关注参数；在叶尖跨声速的转速更容易发生颤振现象；较强的叶尖前缘激波会造成较强的流固耦合作用，形成复杂的气动功分布结构；叶片厚度和尖根弦长比等参数是改善叶片颤振风险的有效参数。      

基于浸润边界-格子波尔兹曼通量求解器的柔性结构流固耦合数值模拟

浸润边界-格子玻尔兹曼通量求解器(Immersed Boundary-Lattice Boltzmann Flux Solver,IB-LBFS)在处理复杂动态边界流动中具有计算精度高和灵活性强的特点,可应用于柔性体流固耦合数值模拟中。本文对IB-LBFS进行了算法效率上的优化改进,设计和实现了并行计算能力,使之可求解具有较大规模网格的流动问题,且通过旋转球体的绕流计算进行了验证。在此基础上,通过应用基于绝对节点坐标法的柔性结构动力学方法,与IB-LBFS结合,建立了可处理大变形柔性结构的流固耦合问题的数值模拟平台,通过旗帜摆动问题和固支板受流体载荷的弯曲变形问题验证并实现了大变形柔性结构的流固耦合高效仿真。     

内埋弹舱流动/振动/噪声多场载荷实验

针对内埋武器系统设计面临的多学科交叉问题，通过高速风洞实验，开展内埋弹舱流动/振动/噪声多场载荷实验研究，为内埋弹舱气动/结构一体化设计和作战环境评估提供支撑。基于相似原理，建立内埋弹舱流动/振动/噪声多场载荷实验技术，采用高时间分辨率多场载荷同步测试方法与时频数据处理方法，获取亚、跨、超声速条件下内埋弹舱多场载荷特征，分析多场载荷作用下内埋弹舱流动特性、共振条件和结构响应规律。结果显示，内埋弹舱非定常绕流促进了舱内复杂噪声环境的形成，噪声载荷与结构振动数据呈现强相关性。当舱内噪声模态频率与结构固有频率耦合时，内埋弹舱结构响应明显增强，在噪声载荷主频位置，结构振动谱出现峰值，此时噪声/振动数据相关性最大，且耦合频率范围的噪声谱能量提高显著。     

复合喷管热结构耦合计算的一种新的策略

基于流固耦合完成复合喷管流动换热、传热过程温度场的数值模拟,编写了计算流体力学(CFD)与有限单元法(FEM)的接口程序,快速实现温度载荷和机械载荷数据的传递,提出了复合喷管热结构耦合计算一种新的策略。利用直接约束法考虑了复合喷管部件界面间高温碳化带来的结构边界非线性因素。计算结果表明耦合方法得到的复合喷管温度场是合理的,高温下界面间结构功能退化问题对于变形特征以及应力场影响很显著。     

跨声速风扇叶片变形对气动性能的影响

为了研究跨声速风扇叶片变形对气动性能的影响,发展了流固耦合方法计算风扇叶片在气动力作用下变形的数值程序,耦合求解了三维可压缩雷诺平均的Navier-Stokes (N-S)方程和描述叶片振动的结构动力学方程,并模拟了跨声速风扇Rotor 67转子叶片在气动载荷下的变形,重点分析了由于叶片变形带来的气动性能的变化.      

可压升力面理论桨扇气动设计反问题方法

结合桨扇几何与流动特征讨论了其两大类设计方法的特点，研究了基于可压升力面理论的一种桨扇气动设计反问题方法.相比于传统螺旋桨升力面设计方法，其在旋转坐标系中小扰动线性化假设下严格处理了桨叶旋转、流动压缩性、宽弦大后掠桨叶和桨叶间相互作用，体现了桨扇有轮毂而无机匣的特征.给出了桨扇设计中载荷-下洗角、厚度-下洗角核函数表达式，与机翼核函数的对比验证了其准确性，给出了其在升力面弦向积分和展向积分中的处理方式.讨论了反问题中各设计分布参数的给定方式，特别是最佳载荷分布的给定.构造了一种修正反问题设计中流动损失影响的损失模型.给出了设计算例，数值分析了该设计方法的准确性.研究表明，在跨声速区，反问题给定的弦向载荷分布与数值模拟的存在一定差异，这主要由该设计方法线性化假设与跨声速流动非线性的差别造成.反问题得出的基元功率系数分布、总体性能参数与数值模拟的吻合较好.      

复合喷管热结构耦合计算的一种策略

基于流固耦合完成复合喷管流动换热、传热过程温度场的数值模拟,编写了计算流体动力学(CFD)与有限单元法(FEM)的接口程序,快速实现温度载荷和机械载荷数据的传递,提出了复合喷管热结构耦合计算一种策略.利用直接约束法考虑了复合喷管部件界面问高温碳化带来的边界非线性因素.计算结果表明耦合方法得到的复合喷管温度场是合理的,高...     

NS-SDBD等离子体流动控制研究现状与展望

纳秒脉冲表面介质阻挡放电等离子体在高速、高雷诺数下的流动控制领域具有非常大的潜力。文章对纳秒脉冲等离子体流动控制发展的起源、现状和趋势进行了综述。分别从实验研究和数值模拟两方面进行,主要以气动激励机理探索、现象研究以及流动控制机理为主线进行相关文献的总结归纳。目前,纳秒脉冲等离子体研究的关键科学问题集中在电场激励-气动诱导过程的机理探索与流动控制应用机理研究两方面,研究的难点在于涉及多时间尺度、多物理场耦合。注重解决多时间尺度、多物理场耦合问题的数值模拟算法、实验技术将成为解决上述科学问题的关键突破点。关键科学问题的解决有利于为激励器及控制系统的设计提供优化准则。     

高超声速复杂气动问题数值方法研究进展

高超声速流场具有复杂流动特征,其中真实气体效应、磁流体干扰效应和力热结构耦合效应等对气动力分析产生了重要影响。将流体力学研究扩展到分子动力学、电磁流体力学以及流固耦合等交叉学科领域,这给数值模拟方法带来了巨大挑战。针对高超声速气动力/热分析的热点问题,重点关注高温效应与低密度流动效应、磁流体干扰效应和力热结构耦合效应等,结合算例分析了相应的数值求解技术;在气动热方面主要比较了3类求解方法(纯工程方法、纯数值方法和基于Prandtl边界层理论的方法),并给出了相应算例;对于气动力/热/结构耦合问题,从耦合模型及耦合计算方法两方面开展了分析。最后指出了高超声速复杂气动问题数值求解技术未来需重点关注的几个方面。     

跨声速扩压器弹性壁板流固耦合振动研究

冲压发动机进气道扩压段局部结构弹性较大时,壁板振动与跨声速非定常流动相互耦合,影响进气道整体性能。基于流固耦合方法,研究了扩压器内跨声速流动与局部弹性壁板的耦合作用,分析了结构阻尼对扩压器流固耦合振动特性的影响规律。结果表明,通过调整弹性壁板阻尼可以削弱和抑制正激波自激振荡引起的扩压器壁板流固耦合振动。无阻尼弹性壁板中点无量纲振动幅值为0.37。给定刚度等效阻尼系数1×10-5时振幅下降至0.22;增加阻尼系数至4×10-5时,扩压器壁板流固耦合振动消失,进入静平衡状态。     

小型跨介质无人机快速水空过渡设计与试验

针对水空界面介质跨越问题,基于混合动力设计概念,设计了一种能够快速多次水空过渡跨介质的无人机。采用共轴的方式安装水下电机与空中电机,具备水下与空中两套动力系统。搭配气压传感器与水深传感器,采用卡尔曼滤波算法估计无人机位置速度信息,完成水空两介质中与水空过渡区域的控制与模式转换。设计制作测试样机,并进行了跨介质试验,验证了工作模式切换的连贯性,结果表明无人机可实现快速水空过渡,并能够满足出水、入水的机动循环。     

航空发动机管路系统动力学特性综述

航空发动机管路系统主要承受来自机匣和管内流体的耦合激励作用,不同位置机匣传递的基础激励不同,如高低压转子振动、气动载荷、燃烧室火焰脉动和气动噪声激励等,管内流体激励包括介质压力脉动及管路形状改变造成的介质冲击载荷等;同时不同管型的管路通过卡箍、支架、接头等连接部件与机匣和附件相连,存在大量的结构耦合,这些都极易引发管路系统在多源载荷激励下的振动超限,诱发管路及卡箍产生裂纹等故障。为了提高管路系统服役期间的可靠性,在设计阶段需要开展动力学优化设计,并提出相应的设计标准及规范。目前管路系统动力学方面的研究主要聚焦在飞机、舰船及其他输油管路,针对航空发动机管路系统动力学特性的研究相对较少,对管路系统主要支撑部件卡箍静力学及动力学特性表征、弹支边界管路系统动力学特性、流固耦合管路系统动力学特性及管路系统动力学优化这4个方面的研究现状进行了总结与展望,旨在为航空发动机复杂管路系统设计及振动控制提供理论支持和技术指导。     

基于流固耦合方法的柴油机排气管热机疲劳寿命研究

由于高功率大缸径柴油机的排气管处于高温、高压、强冲击的工作环境,承受复杂恶劣的热机载荷,使得疲劳失效问题日渐突出.为解决工程中的排气管疲劳失效故障,基于流固耦合仿真分析的方法,研究了多通排气管在热载荷、机械载荷和热机耦合载荷三种不同条件下的疲劳损伤机理以及低周疲劳寿命.结果表明,单纯交变热载荷不足以造成排气管低周疲劳失...     

空间站太阳翼伸展机构屈曲载荷分析与试验研究

针对空间站大面积柔性太阳电池翼整翼稳定性设计中的伸展机构屈曲载荷分析问题,以三跨斜拉索张紧力作用的盘绕式伸展机构为研究对象,采用求解轴压与斜拉索张紧力组合载荷作用下结构系统零固有频率的分析方法获得伸展机构临界屈曲载荷,并设计和开展相应试验,结果表明三跨伸展机构临界屈曲载荷仿真与试验结果吻合较好,验证了该方法求解伸展机构临界屈曲载荷的合理性。     

高超声速飞行器跨流域气动力／热预测技术研究

分析了跨流域流动特点、工程背景需求、国内外研究现状,针对高超声速飞行器跨流域气动力／热预测存在的主要问题,从粘性干扰参数与克努森数搭接的跨流域模拟准则、微量天平结构优化及测力技术、红外大面积中低量值热流测量技术、流场显示与测量技术和 N-S／DSMC 自适应紧耦合数值模拟方法等方面,总结了近年来取得的研究进展,并讨论了下一步研究方向。