飞机结冰中水滴撞击特性的欧拉法准确性分析

过冷水滴撞击特性计算是飞机结冰冰形预测与防除冰系统性能分析的基础，常用方法为欧拉法与拉格朗日法，2种方法的结果通常是一致的，但在某些部件上会出现差异。通过对欧拉法与拉格朗日法进行比较，分析2种方法结果的异同，进而讨论欧拉法对于飞机结冰中水滴撞击特性计算的准确性。以NACA 0012翼型、冰风洞风道、S形进气道与发动机气膜帽罩为对象，采用欧拉法与拉格朗日法计算获得水滴运动及局部水收集系数。结果表明：当水滴运动未受到上游效应影响时，欧拉法与拉格朗日法的结果一致；当水滴发生偏转后，欧拉法速度的单一性使水滴流线不能相交，而拉格朗日法能捕捉水滴轨迹的交叉，导致2种方法的预测产生差异，且欧拉法结果与水滴不碰撞及聚并的假设存在冲突；水滴在上游部件空气绕流或气流吹袭作用下都会发生偏转，使得欧拉法与拉格朗日法得到的下游表面水收集系数不相符，欧拉法对于S形进气道与发动机气膜帽罩的水滴运动及撞击特性计算存在误差。研究成果对飞机结冰冰形的准确预测及防除冰系统的设计有重要参考价值。     

发动机进气道水滴撞击特性分析

针对某发动机进气道的防冰系统设计,对进气道的水滴撞击特性进行了研究.在对进气道流场进行计算的基础上,采用差分法对水滴运动方程进行了数值求解,得到了水滴运动轨迹,从而确定了水滴的撞击极限、总收集系数和局部水收集系数等水滴撞击特性参数;此外,还研究了飞行高度、飞行速度及水滴半径对水滴撞击特性的影响;研究发现水滴撞击极限、总收集系数和局部水收集系数随飞行速度的减小、飞行高度的增加或者水滴半径的增加而增大.这些为进气道的防冰系统设计奠定了基础.     

采用欧拉两相流法对翼型表面霜冰的数值模拟

基于欧拉两相流理论提出一种翼型表面霜冰的数值模拟方法.采用同位网格上的SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations) 算法求解空气控制方程;提出一种可穿透型壁面边界模拟水滴对翼型表面的撞击,通过求解过冷水滴的控制方程得到翼型表面的水滴收集特性;利用冰层时间推进法模拟积冰过程,使用积冰法向生长假设生成积冰外形.对NACA 0012翼型在0°和4°迎角下的积冰情况进行了研究,冰形预测结果与实验结果一致.通过对结冰翼面的压力分布进行分析,表明积冰对翼型气动性能会产生不利影响.     

悬停状态下直升机旋翼水滴撞击特性研究

介绍了直升机在悬停状态下,求解旋翼水滴撞击特性的数值方法.该方法根据直升机悬停状态下的准定常特性,对旋翼运动模型进行简化,并在对绕桨叶运动的气流场计算的基础上,采用有限差分方法求解水滴运动方程,得到水滴运动轨迹.进而,确定了水滴对旋翼表面的撞击特性参数,为旋翼防冰系统设计提供条件.最后,对NACA0012翼型的水滴撞击特性进行分析.      

三维发动机进气道水滴撞击特性分析

用带数值扩散项的欧拉法对某型三维发动机进气道水滴撞击特性进行了研究.实现了可压流场中三维复杂形体的局部水滴收集系数的计算.数值扩散项的引入解决了欧拉法计算产生奇异结果发散的问题.通过对不同进气道流量的算例结果的比较,发现进气道流量对进气道唇口附近的水滴撞击区和撞击量都有影响.进气量大,最大局部水滴收集系数也大.通过对有无整流罩的计算结果进行比较,发现此型发动机整流罩对水滴撞击特性的影响很小.      

飞机旋转表面结冰数值模拟

在Shallow-Water结冰热力学模型的基础上, 搭建了一套适用于三维旋转表面的非稳态结冰模型, 采用Jacobi迭代法和Gauss-Seidel迭代法对表面结冰进行非稳态迭代求解。用所提模型对简化后的旋转桨叶模型进行计算, 并与FENSAP软件结果进行对比, 验证了所提模型的准确性, 分析了转速、水滴直径和液态水含量等因素对旋转表面结冰冰形和水膜流动的影响。结果表明:随着转速的增加, 结冰范围和水膜覆盖范围偏移愈加明显;结冰范围和水膜覆盖范围随水滴直径增长逐渐增加, 水膜厚度也逐渐增大;结冰厚度和水膜厚度随液态水含量增长而相应增加, 水膜覆盖范围也明显变大。      

过冷大水滴动力学行为对翼型结冰的影响分析

过冷大水滴（SLD）是极端危险的飞行环境之一。因大粒径水滴独特的动力学行为变形破碎、飞溅反弹,传统结冰计算方法难以准确地反映SLD结冰情况。采用Navier-Stokes方法求解流场、Euler方法计算水滴撞击、Shallow Water模型模拟结冰,并与NASA实验结果进行了对比验证方法可信。结果表明：SLD动力学行为对结冰和冰形影响较大。其中,变形破碎改变了水滴运动轨迹和撞击范围,降低了水滴撞击极限,导致上下结冰极限减小2.83%、2.13%;飞溅降低了驻点附近水滴收集率,导致前缘积冰量减少8.09%;反弹显著降低了水滴撞击极限,导致上下结冰极限减小30.69%、20.01%;撞击后飞溅反弹二次水滴再入流场使得上下结冰极限增加6.14%、3.71%。同时,与干净翼型相比带冰翼型空气动力学性能严重退化,在相同迎角下,升力更小、阻力更大、气动效率更低。     

飞机机翼表面水滴撞击特性计算

根据飞机防冰系统的研制需要，以机翼为对象，对水滴撞击特性的数值计算进行研究，建立了计算模型，研究了计算方法，用相应的计算程序，在广泛的飞行，气象及多种翼型条件下，对水滴撞击特性作了计算，计算结果与国外权威机构公布的数据相比吻合性好，给出了部分计算结果，并对水滴撞击特性计算的应用作了简要分析。     

轴向通流旋转盘腔流动换热稳态实验与数值模拟

通过开展稳态实验及数值模拟探究了轴向通流旋转盘腔的流动结构与换热特性。通过改变流量系数、旋转雷诺数等参数,探究不同工况下旋转盘两侧及盘罩内侧壁面温度和努塞尔数的径向分布规律。结果表明:在轮缘加热的状态下,旋转盘两侧温度径向分布均呈凹函数形态,且旋转盘迎风面换热强度普遍高于背风面;后轴颈盘罩向两端旋转盘导热,其壁面温度径向分布呈"中间高、两侧低"的状态;随着轴向流量系数的增大,盘腔内部气体对流加剧,径向臂及涡对结构更加明显,旋转盘及轴颈表面换热效果增强;旋转盘腔内的流动换热特性受强迫对流和类Rayleigh-Benard对流2种机理的共同影响。      

非晶带材磁性卷取辊吸附特性数值模拟

卷取辊(TUR)是非晶带材自动化生产线中的一个关键部件,卷取辊的起卷效率决定带材质量及生产效率.由于起卷过程中非晶带材运行线速度较高且受到不同的阻力,卷取辊需要提供足够的吸附力用来满足不同的阻力条件.根据带材生产工艺需求,设计出钕铁硼(NdFeB)永磁吸附型磁性卷取辊结构.利用有限元方法对不同起卷卷取步骤中的磁吸附特性进行分析,得到了磁性卷取辊在不同气隙下各个方向上的磁吸附力变化趋势云图和磁场分布.计算结果表明,气隙小于30 mm时,在给定的空间范围内,磁性卷取辊磁吸附力能够克服各个阻力完成起卷卷取过程.最终,通过现场实验验证了不同气隙下的最大磁吸附力与仿真结果变化趋势一致.      

基于转子不平衡响应的磁轴承磁力参数辨识

针对磁轴承磁力参数理论设计值不精确的问题,提出了一种基于不平衡响应的磁力参数实验辨识方法.利用转子的质量不平衡在高速转动时的离心力效应,通过检测磁轴承在零电流控制状态下的同频位移响应和零位移控制状态下的同频电流响应,解算磁轴承磁力参数.设计了基于通用陷波器原理的零位移控制器和零电流控制器,并通过设置T矩阵保证闭环系统稳定.实验结果表明:基于不平衡响应的磁力参数辨识方法,辨识结果与理论设计值差别在20%之内,证明了该方法的正确性和改进磁轴承力学参数的有效性.      

Experimental study on drilling basalt with self-vibratory drilling head

Based on the goal of improving the rock breaking ability when drilling asteroid rock samples under limited energy conditions, this paper proposes a method of drilling rock using self-vibratory drilling head and develops a small self-vibratory drilling head for drilling rock. In order to analyze the dynamic characteristics of drilling rock with self-vibratory drilling head, a rock model hypothesis that the rock consists of a series of micro-segment uniform continuous media is put forward. Base on the hypothesis, the model of drilling rock is constructed, the stability lobes diagram of self-vibratory drilling head drilling basalt is plotted, and the energy mechanism of drilling rock system with self-vibratory drilling head is discussed. The comparison tests of drilling basalt by three kinds of self-vibratory drilling head with different spring stiffness and the conventional method are carried out. The rotational speed is a variable in the comparative tests. The test results show that under the specific rotational speed and spring stiffness, self-excited vibration is produced in self-vibratory drilling head drilling basalt. When self-excited vibration drilling is conducted, although the amplitude fluctuation range of the drilling thrust force is wider than that of conventional drilling, the average drilling thrust force is smaller than the conventional drilling. The amplitude of drilling thrust force increases with an increase in spring stiffness. The method of drilling rock by self-vibratory drilling head is proved to be a potential method for viable drilling of asteroid rock samples.     

低轨恒速平板型轨道分子屏与大气的撞击作用

以经典的气体分子运动论计算了低轨道（３００ｋｍ）恒速飞行的５ｍ直径平板型轨道分子屏所受的环境大气的撞击作用。大气分子和轨道分子屏的相互作用取完全弹性碰撞和完全非弹性碰撞这两种极端形式,由此可认为轨道分子屏所受的撞击作用就介于这两者之间。计算结果表明,六种主要的大气成分中,原子氧的撞击作用最大,约占总的撞击动量的８０％,Ａｒ的撞击作用最小,要比原子氧小４个数量级,作用于分子屏的总的作用力为０．０４１Ｎ～０．０８２Ｎ。这些数据将有助于更详尽的了解轨道分子屏在空间飞行时的行为。     

外形及工况参数对轴承柔性保持架动力学性能的影响

考虑保持架柔性处理及滚动轴承各组件间的相互作用关系,利用ADAMS/View平台构建了真空条件下不同保持架的轴承刚柔耦合多体动力学分析模型,采用正交试验法分析了转速、保持架厚度和兜孔形状对保持架动态特性的影响规律。结果表明：随着轴承转速增加,保持架转速稳定性降低,动态接触力和打滑率升高,质心轨迹呈“筒状”;保持架厚度对保持架动态性能影响最大,质心轨迹受兜孔形状影响最大;动量轮用保持架最优工况及设计为：轴承转速为2000 (r/min),厚度为2 mm,兜孔形状为方型兜孔。     

尾流激振情况下叶片强迫响应瞬态分析方法

对叶片强迫响应问题,提出应用瞬态分析的方法,针对转子叶片在前排静子叶片尾流激振情况下的位移和应力进行预估.流场进行全场三维非定常求解,将三维非定常气动力引入转子叶片有限元结构计算中,对尾流激振情况下叶片强迫响应问题进行瞬态分析,比较了不同转速下叶片的强迫响应,得到响应位移及应力变化的分析结果.采用叶片强迫响应瞬态分析方法,从流场的求解到结构响应的求解均应用成熟的通用软件,为工程应用该方法进行尾流激振情况下叶片振动应力预估及阻尼的研究提供了一个可行的方法.      

浮空气囊定常及非定常气动特性计算

对于0~20 km范围内不同外形的浮空气囊,采用虚拟压缩方法求解不可压缩非定常N-S(Navier-Stokes)方程,数值模拟了5个高度下气囊的定常和非定常流场.定常状态时,随高度及气囊外形的变化,模拟了气囊气动力及背风区复杂流动分离.结果表明,当气囊厚度率逐渐增大时,其背风区存在复杂的空间流动分离.运用双时间步方法及动网格技术,成功实现了气囊平移或俯仰运动状态下非定常流场的数值模拟.考察了不同的平移方向及速度对气囊非定常气动特性的影响,得到了气囊平移过程中气动力及流场的变化情况.对于气囊的俯仰运动,获得了不同俯仰速度及不同最大俯仰角时气囊的气动力及流场.计算结果表明气囊的非定常运动对其流场和气动力影响显著.