基于改进CO-RS的平流层飞艇总体设计与优化

为改进响应面协同优化(CO-RS,Collaborative Optimization based on Response Surface)方法的工程实用性,提出改进的CO-RS方法.在响应面建立中应用广义乘子法和信赖域法,取消响应面更新对梯度的依赖性.针对平流层飞艇的总体设计与优化问题,基于改进的CO-RS框架,进行了系统任务分析和学科耦合分析.对气动与推进子系统、结构子系统和能源子系统进行了学科分析,以最小化平流层飞艇的质量为目标,建立基于改进CO-RS框架的多学科设计优化(MDO,Multidisciplinary Design Optimization)模型和相应的学科分析模型.利用iSIGHT软件搭建求解平台,采用改进的CO-RS算法进行仿真计算,并得到合理结果,验证了所建立的MDO模型的合理性和改进的CO-RS算法在平流层飞艇总体设计优化中的有效性.     

参数不定区间估计的对偶线性规划方法

将参数不定区间估计(PIE)问题变换成一组对偶线性规划(DLP)问题,提出了求解这组DLP问题的改进单纯形方法.该方法利用变量间的对偶关系,直接计算初始基本可行解,省去了初始基本可行解的搜索步骤.此外,在确定旋入和旋出变量时都采用了目标值最大减少规则,减少了旋转迭代次数.针对由PIE问题所导出的全部DLP问题都具有相同的目标函数和约束矩阵,给出了单搜索过程求解全部DLP问题的联合单纯形法.仿真结果说明了所给算法的计算效率.      

ICO多学科设计优化方法

协同优化(CO, Collaborative Optimization)算法在应用中存在计算困难的问题.分析了引起CO算法计算困难的原因;使用L₁范数改进了CO算法的学科一致性约束,避免了学科级目标函数导数的不连续性,并从数学理论上证明了改进的学科一致性约束的收敛性;增加系统级罚函数,使系统级优化问题转化为无约束优化问题;使用快速启动方法,在子系统级优化过程中充分合理利用系统级优化求得的最优解;给出了使用改进的学科一致性约束、系统级罚函数和快速启动方法的ICO(Improved Collaborative Optimization)多学科设计优化方法,较好地克服了CO算法存在计算困难的缺点.标准算例实验结果表明,ICO多学科设计优化方法有效提高了算法的稳定性、可靠性和计算效率.      

超声速横向气流中燃料雾化的数值模拟

对超声速横向气流中燃料雾化过程采用欧拉-拉格朗日方法进行了数值模拟,气相场用欧拉法计算,液相场采用拉格朗日粒子跟踪方法计算,通过方程源项考虑液相对气相的影响.在液相的拉格朗日计算中采用改进的混合雾化模型来研究雾化过程.针对超声速横向气流中雾化的特点,结合雾化机理和实验测量结果,对原有的混合雾化模型进行了改进,并将改进后的计算结果与TAB(Taylor Analogy Breakup)模型和Reitz波模型的计算结果进行了对比.结果表明:改进的混合雾化模型的计算结果与实验测量值符合较好,更适合用于超声速横向气流中燃料雾化的数值模拟.     

气动力计算的积分技术讨论

讨论了"尾迹面积分法"的气动力计算方法及其改进技术.基于欧拉方程求解流场,通过对飞行器以外的一个控制体采用动量定理而得,是传统远场积分法的改进.在飞行器所在流场的下游一垂直于来流速度的截面上进行积分计算,得到升力、诱导阻力、激波阻力和总阻力.这种方法的优点是有利于外形复杂物体的气动力积分计算,并可将总阻力按产生的物理机理进行分解,以使设计师对飞行器的气动特点有更为明确的了解.详细讨论了影响这种方法计算精度和效率的多种因素及解决途径.各种数值模拟结果证明了该方法和改进技术的正确性和实用性.      

航空氧气调节器结构参数设计计算

阐述了某型航空氧气调节器肺式机构和空气进气机构的工作原理,对运动部件进行了受力分析并建立相应的数学模型.以供氧系统的性能技术指标和使用条件作为设计计算约束,根据数学模型,利用MATLAB/simulink软件建立仿真计算模型.在此基础上通过仿真计算特性曲线分析完成了系统主要结构参数的选取,并得出了系统的流量特性以及整个飞行高度上的含氧百分比特性.仿真结果表明:以上提出的设计计算方法对航空氧气调节器进行设计与改进是可行的.      

DSMC方法中的自适应当地时间步长法

理论分析表明,Laux提出的DSMC(Direct Simulation of Monte Carlo)方法中的当地时间步长法尽管能够显著缩短流场达到稳定所需的CPU计算时间,提高DSMC程序的运行效率,却存在仿真分子运动和碰撞计算复杂,并需要耗费额外计算机内存的缺憾.对Laux的方法中仿真分子的运动处理时机提出了改进,并改变了其碰撞抽样方法,从而简化了仿真分子的运动和碰撞计算处理,避免了额外的计算机内存消耗.应用改进后的自适应时间步长法,对圆柱的稀薄气体绕流进行了采用和未采用改进的自适应当地时间步长法的对比计算.结果表明,改进后的自适应当地时间步长法能明显缩短流场达到稳定所需的计算时间,对流场模拟结果产生的影响却非常小.      

FDTD方法的改进及在超声波声场计算中的应用

时域有限差分法(FDTD, Finite Difference Time Domain)是建立超声检测模型的有效手段,然而在相邻两种介质的分界面上,两种介质声阻抗的突变会引起差分计算的不稳定.为了解决上述问题,从常规FDTD方法入手,提出将界面两边介质的声学参数在界面处进行平均处理的方法,对FDTD方法进行了改进;然后分别采用常规FDTD方法和改进方法对相邻两种介质声阻抗相差5个数量级的模型进行了声场计算;最后对超声换能器进行了有限差分声场计算和实际检测实验对比.研究结果表明:改进的FDTD方法是超声波声场计算中一种有效可行的数值方法.     

基于工艺失效知识的工艺改进方法及实现

工艺设计是一个不断改进与优化的过程,而反面工艺知识即工艺失效知识,对工艺改进与优化往往十分有效.提出了一种基于工艺失效知识的改进方法,包括8个步骤:确定潜在失效模式,分析潜在失效原因,计算风险优先数N,提出改进措施,计算改进后的风险优先数N’,权衡改进措施,采纳改进措施和存储工艺改进数据.在基于Web的工艺失效知识库管理系统——工艺FMEA(Failure Mode and Effect Analysis)的基础上,通过建立工艺失效知识与产品和工艺信息的关联,实现工艺FMEA系统与CAPP(Computer Aided Process Planning)系统的信息集成和过程集成,从而达到工艺改进的目的.给出某飞机结构件(主梁)利用工艺失效知识进行工艺改进的验证实例,为在工艺设计阶段主动预防地改进工艺方案提供了一种有效手段.      

对旋风扇不同转速匹配对失速关键级影响实验

对低速对旋风扇/压气机级的理论分析表明,对旋转子的失速关键级取决于失速时前后级的流量系数以及前后级固有的临界流量系数.前后级的转速匹配会改变前后级的流量系数,进而改变对旋风扇的失速关键级.在一台低速轴流对旋风扇上进行了不同转速匹配的实验,实验结果验证了这一结论.该实验通过改变前后级转速来研究不同转速比情况下的对旋压气机失速特性.实验中分别测量了前后级在100%,90%,80%,70%,60%,50%转速下,共计36组数据.实验结果表明,在设计转速下第2级转子为失速关键级,并且可以通过调整前后级的转速比来改变失速关键级.另外,在失速时如果前级转子流量系数接近临界值,可以得到明显的失速迟滞回线,否则无法得到迟滞回线.      

对旋轴流压缩系统的增压扩稳途径实验分析

通过在一台实验用对旋风机上的大量性能实验,比较分析了对旋风扇在不同转速比匹配和不同轴向间隙条件下的特性曲线和失速边界的变化,并通过用球头五孔压力探针对其级间稳态流场的测量,对对旋风扇在不同转速比和轴向间隙下的流场特点作了进一步的分析.最后,在总结实验分析结果和国外类似研究的基础上,对对旋轴流压缩系统的增压、扩稳途径提出了一些新的观点.     

基于仿真的小型数据中心气流组织研究

为了实现小型数据中心能在办公室环境中运行而降低运行成本这一实际需求,提出了蒸汽压缩制冷系统与服务器融合封闭的降噪与制冷的一体化设计方案。在关键部件——轴流风扇和蒸发器的仿真策略得到验证的基础上,建立了系统气流组织仿真模型以分析箱体内流动与换热特征,以方差和信息熵构建不均匀性评价指标以评估不同风扇排布方式对服务器温度场均匀性的影响,讨论了发热密度增大时的应对策略。结果表明,轴流风扇不均匀的动量驱动导致了蒸发器内不均匀的流动与换热,所设计的降噪制冷系统可以使服务器的排风温度控制在21.6~22.2℃,增加蒸发器的散热风扇可以整体上改善温度场均匀性,发热密度增大时增大服务器的通风量是降低排风温度的有效措施。      

轴流压气机尾流撞击效应机理的数值模拟

通过精确给定转子进口边界条件,以模拟上游静子尾迹对转子流场的影响,这样利用单排的计算结果模拟转/静干涉引起的非定常流动对流场气动参数的影响,因为相邻叶片排的叶片数不同,从而避免传统方法中常用的叶片数约化存在的难以正确模拟非定常激励频率的问题,对计算时间和计算能力的要求也可减少.针对一个低速转子的数值模拟结果显示,如果能合理地组织来流尾迹的扫过频率和尾迹亏损的幅度,对转子气动性能的改善是很显著的,从而为风扇/压气机中控制和利用非定常流动提供了一个可行的方向.     

风扇/增压级带间隙三维粘性流场数值模拟

使用三维数值模拟软件NUMECA(Numerical Mechanics Application)对双涵道风扇/增压级带转子叶尖间隙的粘性流场进行了三维定常流动数值模拟,获得了其设计转速下的流场特性.结果显示,随着外涵背压的升高,风扇顶部激波后阻塞区周向和轴向尺寸增大,激波变形加剧,继续提高外涵压比,则外涵效率和进出口流量下降.内涵背压的升高,使内涵各转子叶片顶部的泄漏流动影响范围向上游扩散.内涵背压过高,效率和进出口流量同样会有下降的趋势.同时通过和实验结果的比较表明,数值模拟软件模拟的风扇/增压级的三维定常粘性流场能够较真实的反映出转子叶尖间隙泄漏流场的结构特征,以及间隙对流场参数的影响.      

板条拉楔试验的研究

采用理论解析和数值计算法对拉楔试验中板条扇形变形区的应力、应变分布规律、轴向拉力的变化及极限拉楔比进行了研究,并研制了拉楔试验夹具,作了拉楔试验.解析解、数值解与试验数据基本吻合,认为简单的板条拉楔试验用于筒形件拉深模拟试验研究是有效的.     

对旋风机转速改变对其气动特性的影响

对旋风机前后级转速比对风机气动特性影响较大,合适的转速比有利于提高对旋风机气动性能。采用数值计算和实验模拟方法研究对旋风机前后两级叶轮转速改变对风机气动特性的影响。首先,通过速度三角形定量分析转速改变对风机功率和内部流动参数的影响。之后,数值计算的结果与实验进行对比,分析基准转速下风机整体性能的变化。最后,通过数值计算结果对风机内部气体的流动进行具体分析,发现在保持进口条件不变的条件下,前后两级叶轮转速改变相同百分比时,第1级转速改变可以更加有效的改变风机的流动参数和性能,综合比较整体性能变化与实际应用确定了最优转速比为1.1∶1,此转速比下传动效率为88.4%时对旋风机效率为75%。     

轴向柱塞泵/滑靴副润滑磨损的影响因素分析

斜盘-滑靴副(滑靴副)的磨损会导致泵泄漏增加、效率降低,进而影响寿命.提出了一种基于弹性流体动力润滑(EHL,Elasto Hydrodynamic Lubrication)磨损模型的轴向柱塞泵滑靴副加速寿命试验方法.该方法以滑靴副的油膜分析结果为基础,综合考虑工况参数(温度/转速/压力)对滑靴副磨损的影响,揭示了影响滑靴副磨损过程的内在因素.研究以某型轴向柱塞泵为对象,首先基于提出方法,对2组不同工况下的滑靴副磨损量进行了分析,并将分析结果与长周期的磨损试验结果进行了对比,验证了磨损量分析结果的准确性,也表明本文提出的方法与模型具有可用性.然后,基于本文提出方法和磨损分析模型,对比分析了介质温度(黏度)、输出压力、转速与滑靴副磨损率的相对关系.最后,探讨了柱塞泵的磨损加速寿命试验的加速手段,以及工况对于加速比率的影响.研究结果能够用于制定柱塞泵加速磨损试验的载荷谱,以及为降低泵磨损为目的的设计优化.      

飞行包线下燃油箱耗氧型催化惰化系统性能研究

为给新型耗氧催化惰化系统部件设计提供输入参数，在提出低温可控耗氧催化惰化系统流程基础上，以燃油箱出口抽吸流量为基准，基于质量守恒和能量守恒方程，建立了系统流程模型。以中央燃油箱为对象，仿真研究了全飞行包线下惰化系统的重要性能变化，以及关键参数对其影响。结果表明:惰化系统可以有效降低氧体积分数，如在初始满载、催化效率0.5、风机抽吸流量60 L/min条件下，24 min后氧体积分数即降至12%以下；在飞行过程中，燃油箱气相氧氧体积分数在下降及进场阶段上升，其他阶段均呈下降趋势；催化效率越高、风机抽吸流量越大，所需惰化时间越小，且催化效率一定时，达到相同惰化时间，初始空载时所需风机抽吸流量最大。应按最不利的空载工况来设计耗氧型催化惰化系统。