高温非平衡氮组分多温度振动-离解耦合模型

基于多温度模型的基本思想,从惟象角度分析了非平衡状态下双原子分子振动态分布的特征信息。研究了双原子分子在非平衡弛豫过程中振动—离解耦合特点,认为较低和较高振动态首先达到相对独立的准平衡状态,较高振动态的局域离解造成的相对数密度分布密度差将导致各个振动态数密度从新分布;而这一过程也是系统通过V-V传能、T-V传能不断把位于较低振动态的分子通过中间振动态激发到较高振动态,为离解做能量积累的过程。通过对目前较常用的Hammerling假设的修正,用中间振动态数密度分布情况重新定义了双原子分子非平衡态下的振动温度,建立了新的关联振动-平动温度的双原子分子振动态非平衡近似分布模型。通过模拟氮分子非平衡激波加热过程结果表明,本模型较好地预报了氮分子非平衡振动松弛过程中"诱导期"以及平均振动能、振动温度的时间特性。     

含转动非平衡效应Boltzmann模型方程统一算法与跨流域绕流问题模拟研究

通过对转动自由度松弛变化特性的研究,采用转动惯量描述气体分子自旋运动,利用分子总角动量守恒作为一个新的碰撞不变量,确立含转动非平衡效应各流域统一的Boltzmann模型方程。基于转动能量空间对分布函数进行守恒积分,得到计及转动非平衡效应的分子速度分布函数控制方程组,应用气体分子运动论离散速度坐标法对速度分布函数方程所依赖的速度空间离散降维,构造直接求解分子速度分布函数的气体动理论统一格式。基于物面质量流量通量守恒与能量平衡关系,发展计及转动非平衡影响的气体分子运动论边界条件数学模型及数值处理方法。由此提出模拟高稀薄自由分子流到连续流各流域转动非平衡效应的Boltzmann模型方程统一算法。通过对高、低不同马赫数1.5≤Ms≤25考虑转动非平衡效应的氮气激波结构与不同Knudsen数9×10-4≤Kn!≤10再入竖直平板、Ramp制动器、尖双锥外形跨流域高超声速绕流问题模拟研究,将计算结果与有关实验数据、广义退化Boltzmann与ES椭球统计模型等研究结果对比分析,验证含转动非平衡效应Boltzmann模型方程统一算法求解自由分子流到连续流跨流域绕流问题可靠性。     

Q-K模型在氮氧离解复合反应中的评估

总能碰撞模型(TCE)是直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法中最为广泛使用的化学反应模型,本文通过对比TCE模型对最近提出的量子-动理学(Q-K,quantum-kinetic)模型进行数值评估,并对二者之间的差异给出合理的分析说明。研究结果表明,Q-K模型在整个离解度范围内与理论值精准吻合,TCE模型在低离解度时则具有较大的误差。在描述离解速率中的非平衡效应时,Q-K模型与Park双温度模型高度吻合,而TCE模型却高估了这种非平衡效应。此外,本文结果还表明,TCE模型实现的非平衡离解速率比Q-K模型更接近Park双温度模型的结果。     

稀薄流热化学非平衡效应的DSMC研究

以钝体绕流驻点线流场为例，应用直接仿真蒙特卡罗法，模拟了五组元混合气体（Ｎ２，Ｏ２，Ｎ，Ｏ，ＮＯ）中的碰撞能松弛，离散反应，交换反应及复合反应，给出了碰撞分子各自由度间的能量交换模式及各类化学反应的选择模式。ＤＳＭＣ仿真结果与宏观粘性激波层方程计算结果，在飞行高度较低时基本相符，表明采用的热化学非平衡非模式是令人满意的，随着飞行高度增高稀薄气体效应增大，二者在激波附近有显著差异，表明高空飞行必须考     

态-态模型下N_2/N混合物的热化学非平衡过程研究

热化学非平衡流模拟中广泛应用的双温度或多温度模型不能描述分子在各振动能级上的分布,只能假设其满足振动温度下的Boltzmann分布。通过采用态-态模型研究非平衡过程中粒子的能级分布特点,有望为改进双温度或多温度模型提供思路。对静止的N2/N气体混合物,在各类不同初始条件和控制温度、压力下,采用态-态模型研究气体的化学组成和分子振动能级分布演化规律,分析各类微观过程的特征与贡献,结果表明:平动-振动能量交换过程起支配作用,促使振动能级分布趋于平动温度下的Boltzmann分布,而振动-振动能量交换过程主要影响能级分布变化的过渡过程特点;离解区和复合区能级分布的变化特点不同;关于非平衡过程中粒子微观分布的研究结果可为改进高超声速非平衡流模拟中的热化学模型提供参考依据。     

正激波结构与反射的蒙特卡罗模拟

本文用变径刚球模型(VHS)与Larsen-Borgnakke模型借助直接模拟蒙特卡罗方法模拟正激波结构与反射问题。直接模拟显示了分子间作用力幂次对激波剖面的影响,平动自由度经激波的非平衡效应,双组分气体经激波的组分分离效应,有转动自由度激发(双原子分子)气体中激波结构、传播和反射、双原子轻分子作为载体的混合气体激波结构中重气体的温度超出等。     

态-态模型下的O2/O系统热化学非平衡与辐射过程

采用态-态模型,研究包含振动能级跃迁、化学反应和辐射跃迁的O_2/O系统的非平衡过渡过程。对静止的O_2/O气体系统,设定不同的初始条件,突然降温或升温至3000K、10 000K、20 000K后保持等温等容,数值模拟组元质量分数、振动能级分布和辐射特性随时间的演化过程,分析不同条件下各类过程趋近平衡的松弛时间、稳态平衡结果等特征,以及辐射和热化学非平衡过程的相互影响特点。结果表明,态-态模型得到的振动温度趋近平衡值的特点与双温度模型所描述的不同,有时振动温度随时间甚至出现非单调变化的现象,非平衡过渡过程中的振动能级分布也不满足振动温度下的玻尔兹曼分布。本文算例显示出O_2/O系统在高温条件下的非平衡辐射特征,不过辐射跃迁对热化学非平衡过程的影响不明显,非平衡辐射的特征时间达到振动松弛时间的10倍以上。     

基于概率反弹碰撞模型的进气粒子分离器两相流数值模拟

通过5点Gauss-Hermite积分拟合粒子与固壁碰撞后,反弹速度和角度的概率密度分布试验数据,建立粒子与固体碰撞/概率反弹模型.将该模型应用于直升机用整体式预旋与非预旋进气粒子分离器气固两相流场数值模拟,并与另外两种常用的粒子与固壁碰撞反弹模型(平均恢复系数模型、完全弹性碰撞模型)的计算结果进行了对比.结果表明:上述3种碰撞模型都能较好地预测AC粗砂的分离效率；对于C级砂,基于完全弹性碰撞模型的预测结果则过低；基于平均恢复系数模型的预测结果明显偏高,有预旋时尤其明显；而基于概率反弹模型的预测结果处于两者之间,与试验结果吻合更好.      

微波等离子推力器喷管流动数值模拟

为了准确把握微波等离子推力器喷管流动的机理与特点,采用冻结流和非平衡流两种模型对其进行了对比数值模拟分析。非平衡流模型考虑了流动过程中的分解反应、电离反应和复合反应,化学动力学模型为4组分、4反应的有限速率化学反应模型,采用二阶精度NND格式数值求解耦合化学反应源项的N S方程组。数值模拟的结果揭示了喷管内的流场结构,反映了喷管内的离解电离状况,得到了推力器的推力和比冲。分析表明,数值方法有效,计算结果合理,具有工程应用价值,能为相关研究提供参考。     

直升机旋翼桨叶的弹性碰撞动力学建模

建立了直升机旋翼桨叶弹性正碰撞的动力学模型,采用有限转动梁理论处理桨叶的弹性变形,利用Hertz接触理论处理局部弹性变形,引入位移协调方程识别弹性碰撞载荷,运用Hamilton原理建立了桨叶正碰撞的动力学方程.通过与Timoshenko算例的对比表明了该方法的正确性,且对集中质量与直升机桨叶的弹性正碰撞问题进行了研究.      

能量包线随机平均法在双线性迟滞系统随机响应分析中的应用

 本文将能量包线随机平均法应用于分析单自由度双线性迟滞系统对白噪声激励的随机响应,详细分析了位移、速度及总能量的平稳响应各统计量随系统粘性阻尼、次斜率及激励强度的变化。解析结果与数字模拟结果比较表明,该方法优于迄今为止用于双线性迟滞系统随机响应分析的其他近似方法。     

弹用涡喷发动机的动态仿真研究

采用变比热容的方法及容积积累模型,建立了调节系统及发动机主要部件的动力学方程,对某弹用涡喷发动机的过渡态进行了模拟仿真。结果表明：该发动机转速特性典型,加速性好,仿真数模及程序有较好的可信度。此外,还分析了涡喷发动机的仿真特点和仿真中必须解决的关键问题。     

激振控制分离流动的初步研究

 采用流场显示与测力相结合的方法研究平片激振控制二维锐缘分离流动问题。结果表明:若模型原始流态是闭式分离泡状态,适当频率的激振可使分离泡减小,升力和阻力也相应地减小。达时激振减阻的最佳Strouhal数(St_(x_(ro))=(fx_(ro)/U_∞)范围为3～5。若模型原始流态是完全分离流动,适当频率的激振状态与未激振状态相比,模型升力明显增加;相应地,流态从完全分离流动转变成闭式分离泡。激振增升的最佳Strouhal数(St_c=fc/U_∞)范围为0.7～2.5。     

陀螺动力学系统计算机仿真

推导出了适于计算机仿真的陀螺完整运动方程式并给出了仿真曲线,可看出在外力矩作用下陀螺仪从起动到稳定这一段时间内的转动角速度和转角的变化规律。通过降低陀螺转速并减小外力矩,使无锁紧机构的陀螺仪消除起动时的剧烈抖动而达到平稳起动的目的。     

旋转整流器式无刷励磁系统电流线性放大器特性分析

对旋转整流器式无刷发电机的励磁系统的电流线性放大器特性进行了分析。运用了ａｂｃ坐标系统下的电机数学模型对励磁机带桥式整流系统进行了仿真,并进行了实验验证。结果表明：变速运行时,通过合理设计励磁机参数,可基本实现电流线性放大器特性。     

Aeroelastic simulation of the first 1.5-stage aeroengine fan at rotating stall

A massive parallel aeroelastic simulation platform has been built to investigate the first 1.5-stage fan of an aeroengine at rotating stall. The Computational Fluid Dynamics (CFD) solver and Computational Structural Dynamics (CSD) solver are coupled directly by non-matching mesh interfaces. The unsteady rotor/stator interaction is solved by the Sliding Mesh Interface method. The original rotor blades are shrouded by the midspan shrouds. An unshrouded fan is also created to investigate the effects of the midspan shrouds. Both the shrouded fan and unshrouded fan have stable aeroelasticity at the designed state. At rotating stall, the stalled region rotates at 30% of the rotor speed on the absolute reference frame. The energy spectrum of the rotating stalled flow is measured quantitatively. It shows that the first two order excitations are much stronger than the higher order excitations. In the flow of rotating stall, the fifth backward travelling wave mode of shrouded fan is resonated by the fifth excitation of the rotational stalled flow because the rotational speed of the stalled region coincides with the modal rotational speed, while for the unshrouded fan, the first bending mode is resonated by the second excitation of the rotational stalled flow, forming two waves in the circumference of the annulus blades. At rotating stall, the vibration of the shrouded blades is still under control but the vibration of the unshrouded blades is diverged and out of control. A novel tool, i.e., resonance map, is proposed to predict the resonance. It provides a perspective to explain the effects of midspan shrouds at a theoretical level, and it would also be helpful in the structural design of blades.     

驾驶员结构模型参数辨识

给出一种驾驶员结构模型的参数辨识方法：根据人—机实时仿真试验测量的驾驶员描述函数,按最小二乘准则辨识驾驶员模型参数。推导出驾驶员结构模型的灵敏度公式,用于参数辨识过程,使计算方便、收敛性改善。针对驾驶员完成俯仰跟踪任务的人—机仿真试验结果,进行了实例计算,表明该方法是一种确定驾驶员结构模型参数的简单实用的方法     

复数坐标及互激励分析在直升机“地面共振”分析中的应用

本文采用复数坐标来表示旋翼及机体的运动,提出了多自由度耦合系统动稳定性问题的各自由度间相互激励作用的分析方法。以此分析了直升机旋翼与机体耦合的“地面共振”稳定性问题,对动不稳定性的机理作出了清晰的物理解释,揭示了主要的参数影响。     

Vibrational relaxation of CO2(m,nl, p) in a CO2N2 mixture. Part 2: Application to a one-dimensional problem

In order to quantify the relaxation mechanism of CO₂(m, n^l, p), the vibrational level populations are calculated for a particular test-case: the vibrational relaxation of a CO₂N₂ mixture along the stagnation streamline in a reentry problem. The N₂ species is chosen as a collision partner because it is a component existing in numerous gaseous mixtures (cf. Part. 1). Excitation and deexcitation processes are taken following Nickerson and Herzfeld. The Navier-Stokes code CELHYO for the simulation of hypersonic laminar viscous flows in chemical and thermal nonequilibrium is used with a new one-dimensional approach, reduction of the Navier-Stokes equations along the stagnation streamline. Mass fraction and ‘vibrational temperature’ distributions of every vibrational level, considered as an independent chemical species, are presented for the two different CO₂N₂ mixture compositions. The validity of the usual assumptions for the vibrational mechanism is examined on the basis of the obtained results.