惰性气体?空气混合电弧流场特性研究

理论上小流率惰性气体添加到大流率空气电弧中不会影响对热防护材料的性能评估。采用控制电弧电流和惰性气体质量流率的方法,在电弧风洞实验平台上研究了分别在空气电弧中添加氦气（He）、氖气（Ne）、氩气（Ar）、氪气（Kr）等惰性气体?空气混合电弧的特性,测量了超声速喷管出口驻点热流密度、驻点压力和出口气流平均焓值等参数,分析了电弧电流、气体总质量流率、惰性气体质量流率占比等因素对流场特性的影响。实验结果表明:氦气质量流率占比11.46%、总质量流率0.2 kg/s、电弧电流1300 A条件下的氦气?空气混合电弧的出口气流平均焓值和热流密度分别比纯空气电弧增加了6.07%和1.02%;氖气、氩气和氪气等惰性气体?空气混合电弧在超声速喷管出口的焓值和驻点压力均低于纯空气电弧,且随混合气体总质量流率和电弧电流的增大而增大,其增大程度与添加气体介质的种类和质量流率占比有关。     

电弧风洞中基于TDLAS的气体温度和氧原子浓度测试

电弧风洞是对防热材料/结构进行地面考核的关键设备,其流场参数是评估设备性能和品质的关键数据。由于高温气流的恶劣环境,尚无有效诊断手段。本文使用可调谐二极管吸收光谱技术(TDLAS),针对气流中氧原子,选用氧原子特征吸收谱线(λ=777.2nm),测量了电弧风洞中水冷平头圆柱体模型脱体激波后的气体温度和氧原子数密度,试验测量与工程计算结果较为一致。试验显示出TDLAS具有高温电弧风洞应用的潜在优势。     

电弧风洞CO2介质运行分析

为开展金星和火星探测器地面防热试验研究,通过对CO2气体平衡成分分析、喷管流场计算和风洞运行能力分析,评估了电弧风洞模拟探测器进入CO2大气环境时的防热试验能力。首先采用平衡常数法计算分析CO2气体在不同温度和压力下的平衡成分,接着利用一维等熵理想气体模型分析喷管内平衡流和冻结流2种流态下的流场参数,最后计算CO2介质运行时喷管出口的驻点参数,评估驻点压力和驻点热流的包络性能。结果表明:电弧风洞CO2介质运行时气流在加热器内含碳量高达30%,并可能在水冷壁上沉积,降低设备绝缘性能和换热效率,给设备安全运行带来隐患;在平衡流和冻结流2种流态下,喷管出口气流中均含有CO和O2,且CO含量高达50%,为保护下游的真空设备和人员安全,防止反应生成的CO浓度达到爆炸极限,给出了在扩压器补充惰性气体钝化的初步方案。     

真空等离子沉积中真空电弧的产生及触发电路的设计

在真空等离子沉积中,首先要触发真空电弧,由于等离子沉积本身所具有的复杂性,要成功地触发真空电弧必须考虑很多因素,如：阴极的材料、电极的结构、阴阳两电极之间的间隙、电极的表面状态、触发方式等。文中对影响触发电弧的因素以及在设计触发电路时需要的因素作了一定的分析,并在此基础上,提出了一个实用可靠的触发电路。     

电弧加热流场湍流度对尖锥边界层转捩影响的研究

电弧加热流场的热环境特性直接影响热防护系统的地面试验数据,由于电弧加热器高温气流和参数波动的原因,直接测量湍流度非常困难.为研究电弧加热流场湍流度对于边界层转捩的影响,采用红外热图热像仪,在电弧加热流场中进行了5°尖锥模型边界层转捩研究.结合数值计算,将试验结果与常规风洞的尖锥边界层转捩结果进行了比较.结果表明:马赫数影响的雷诺数转捩判别准则可以用于计算电弧加热流场的转捩雷诺数;电弧加热流场的尖锥边界层转捩雷诺数显著小于常规风洞的转捩雷诺数,表明在该试验条件下,电弧加热流场的湍流度显著大于常规风洞.     

直流电弧加热器多电极运行技术试验研究

多电极运行是提高直流电弧加热器大电流运行可靠性的有效途径。通过对双阴极/单阳极和双阴极/双阳极电弧加热器多电极运行调试,探寻了镇定电阻匹配方式、气体流量和电流等参数对多电极中各电极电弧电流分配特性的影响。结果表明,镇定电阻匹配方式是影响多电极稳定运行的关键因素,气体流量和电流等运行参数对电弧电流分配影响较小;对于双阴极/单阳极电弧加热器,只有在内外阴极同时连接镇定电阻,并且满足一定电阻差时,才能将电弧电流稳定分配到各个子电极上;对于双阴极/双阳极电弧加热器运行时,不论内外阳极是否连接镇定电阻,只要内外阴极连接镇定电阻,电弧电流均可稳定分配到各个子电极,并且电流分配比例可根据镇定电阻的匹配方式进行调节;多电极运行时,宜选用电流分配均匀,电能损耗小的电阻匹配方式。     

电弧加热器变参数运行技术研究

电弧加热器通过调节空气流量和电弧电流实现变参数运行,可以更接近实际地模拟飞行器再人轨道。笔者论述了电弧加热器变参数运行的技术原理、试验设备改造、测试探针研制及原理性试验等。研究结果表明：供电、供气、控制等系统经过适当改造,电弧加热器可以实现变参数运行。     

消融控制电弧等离子体发生器放电特性的实验研究

通过衬套材料消融补充等离子体从而控制电弧生长的技术具有很好的应用前景。利用一个总贮能800kJ的模块化电容基脉冲功率源系统为消融控制电弧等离子体发生器强流放电提供电能输入，在一定的参数变化范围内，实验研究了脉冲功率源初始放电参数、等离子体发生器几何参数以及消融材料对消融控制电弧放电特性的影响规律。借助于理论分析，也可定性获得消融控制电弧等离子体压力和温度对上述影响参量变化的依赖关系。     

进气道整流罩全尺度动态分离试验研究

进气道整流罩可以有效避免低马赫数飞行条件下进气道不起动的问题,在高速飞行器中得到广泛使用。整流罩分离过程直接关系到飞行器安全,在地面进行全尺度整流罩分离过程试验验证非常必要。利用JF-12激波风洞设备结构简单、尺度大和动压较高的优势,推导了适用于高速动态分离试验的相似准则,发展了高速分离轨迹观测技术、精确时序控制技术以及必要的风洞防护措施,建立了基于JF-12激波风洞的高速动态全尺度分离试验技术。利用该技术,针对配有进气道整流罩的飞行器前体,以50kPa动压试验条件实现了高动压（100kPa）条件下的动态分离轨迹模拟。     

电弧加热高温磁流体发电地面试验研究

针对航天器未来空间飞行任务对大功率电源的迫切需求,开展了基于电弧加热的高温气体磁流体（MHD）发电地面试验研究。利用长分段电弧加热器加热氩气试验工质,模拟MHD发电所需的温度和压力条件,通过注入铯种子的方式提高试验工质的电导率,成功进行了直通式和盘式MHD发电地面试验:在磁场强度1 T试验条件下,直通式发电机最大输出发电功率达到196 W;在磁场强度7 T试验条件下,盘式发电机最大输出发电功率达到10.5 kW。本研究工作验证了磁流体发电技术的前景,为更高功率的磁流体发电机研究及空间应用奠定了基础。     

应用于高气压运行的片式电弧加热器初步研究

片式电弧加热器模拟焓值范围宽,是开展热防护试验的理想设备。为拓宽其压力模拟范围,开展了片式电弧加热器内流分析方法研究,并与片式电弧加热器高气压试验进行了对比,结果吻合较好。为解决高气压运行试验出现的问题,研制了耐压、耐高热流压缩片,增强了压缩片的冷却效果,短化了片式电弧加热器电极,采取内壁防护措施使表面高温氧化产物减少和热量损失降低。探索高气压片式电弧加热器运行模式,解决了高气压运行串弧问题。试验的运行压力超过10 MPa,单电极运行电弧电流超过5000 A,提高了片式电弧加热器的试验能力。     

高超声速风洞气动布局设计

在分析国内外高超声速风洞发展现状的基础上,根据南京航空航天大学高超声速风洞(Nanjing Universityof Aeronautics & Astronautics Hypersonic Wind Tunnel,NHW)总体技术指标和要求,对该风洞气动布局设计方案和备部件的气动设计进行了研究.风洞气动布局设计点为马赫数5和8、设计总压为1 Mpa、总温685 K;风洞驱动方式采用高压下吹-真空吸气式方案,运行时间大于10 s、高压气源容积为32 m3、真空容积为650 m3;风洞加热方式采用金属板蓄热式加热器方案;风洞试验马赫数获取方式采用φ0.5 m口径的马赫数5,6,7和8的型面喷管方案.     

旋转导弹风洞动态测力试验技术研究

常规风洞静态气动力测量技术无法得到旋转导弹的非定常气动特性数据,需要研究在风洞中模拟旋转导弹运动特征以及对气动力实现动态测量的试验技术。在1.2 m量级超声速风洞中,研究了大长细比导弹模型旋转运动主动控制技术以及与旋转运动对应的动态测量试验技术。采用旋转导弹模型（长细比为20）对建立的试验技术进行了风洞试验验证。结果表明:采用微型驱动系统并对旋转组件与导弹模型进行一体化设计,可以对大长细比导弹模型转速进行稳定控制;建立的风洞动态测力试验技术可以对导弹模型旋转运动下的动态数据进行测量,试验数据重复性精度良好。     

低速风洞阵风发生器实验研究与分析

阵风发生器是阵风响应风洞试验的关键设备。针对叶片式阵风发生器的运行特点,通过简化的定常涡升理论,推导出阵风发生器下游流场Y向风速的计算公式。以0.55 m×0.4 m低速风洞（声学引导风洞）为实验平台,系统地研究了阵风发生器的设计参数（叶片弦长、数目、间距）和运行参数（叶片摆幅和摆动频率、来流速度）对阵风流场风速极值的影响。研究表明:推导的简化公式能够解释阵风发生器各设计和运行参数变化后,其下游流场Y向风速的变化机制,可在阵风发生器设计时对其产生的阵风流场进行简单预估;从增大阵风发生器下游流场Y向速度极值的角度出发,增加叶片数目比增大叶片弦长更能增大Y向速度;在叶片失速前,增大叶片摆幅比增大叶片摆动频率更能增大Y向速度;采用多组叶片的阵风发生器,叶片间距不能太小,否则会导致等效升力系数下降,当叶片间距为1.2倍弦长时,能够获得最大的Y向速度极值。本文研究工作可为其他风洞的阵风发生器设计提供参考。     

旋翼翼型动态风洞试验技术研究

旋翼翼型的设计优化及性能确定亟须建立并发展翼型动态风洞试验技术。通过动力学仿真与结构优化设计,基于FL–11低速风洞研制出旋翼翼型两自由度动态试验装置,可实现俯仰/沉浮单自由或两自由度耦合运动,最高振荡频率达到5 Hz;基于FL–20连续式跨声速风洞研制出旋翼翼型高频高速动态试验装置,最高振荡频率达到17 Hz,试验最高雷诺数为5×106,模拟参数包线满足真实直升机参数要求;基于FL–14低速风洞研制出大尺度旋翼翼型动态试验装置,翼型模型弦长为800 mm,试验最高雷诺数达到4×106。完善了旋翼翼型动态试验精准测试相关技术,并开展了验证性试验,试验数据规律合理、量值可靠,表明试验系统及相关测试技术具有较高的可靠性,可为旋翼翼型动态气动特性试验评估提供重要的设备平台和技术支撑。     

高温风洞蓄热式加热器蓄热单元初步设计与分析

蓄热式加热器是目前高温纯净空气风洞最具潜力和优势的一种加热方式.针对空心砖型蓄热式加热器,开展了空心砖型蓄热单元初步设计研究,涉及换热性能、压降控制和热应力评估等方面.结合一个预定的试验状态要求,对空心砖型蓄热单元的初步设计进行分析与讨论,评估孔径、孔间距、蓄热阵高度等几何设计参数对换热性能、压降控制和当地热应力水平的影响,进而确定空心砖型蓄热单元的基本设计方案,结果表明孔径、孔间距是加热器设计的关键参数,对其它参数、运行性能、安全性具有显著影响,高度选择直接影响出口气流温度水平及其稳定时间,初步设计方案可以很好地满足马赫数6.0试验模拟状态要求.研究结果可为空心砖型蓄热式加热器工程设计和方案评估提供有益的参考.     

自适应遗传 PID 算法在风洞风速控制中的应用

风速控制是风洞的核心控制部分,风速控制系统的优劣直接影响风洞性能指标,为了完成 FDxx 风洞的风速控制系统,设计了一种基于自适应在线遗传算法的 PID 参数整定方法,在风洞气源资源有限的情况下,快速建立流场,确保流场稳定时间。首先对控制参数进行联合编码,在种群个体进化前期采用锦标赛精英保留策略,后期采用基于轮盘赌非线性选择方法,加快算法收敛速度,同时避免了算法过早陷入局部最优,交叉选用单点交叉,变异采用均匀取反法,动态调整过程为了减小甚至避免超调,采用误差绝对值及误差和误差变化率加权方式设计目标函数,并采取了惩罚措施,即一旦产生超调,将超调量作为最优指标的一项,现场测试验证了算法的可靠性及实用性。     

2.4m风洞M数和稳定段总压控制策略研究

我国自行研制成功的 2 .4m风洞现已投入使用。该风洞控制系统与国内现有风洞相比 ,控制执行系统多而复杂。该风洞成功地采用了所有试验工况M数与稳定段总压同时控制的运行方式。针对被控对象的复杂性 ,分别对神经网络控制、模型跟随自适应控制、自校正控制、智能控制及智能学习控制在该风洞上应用的可行性进行了分析。最后给出了一种智能控制策略 ,调试结果说明该风洞采用的这种控制策略是成功的     

高超声速风洞流场中的气流旋转影响及消除

风洞实验需要高品质的来流，但部分高超声速风洞由于加热器特性可能导致流场中存在气流旋转，为了消除或减小旋转，提出了在风洞稳定段前加入反向旋转气流来抵消气流旋转的思路。为验证该思路及了解高超声速流场中旋转程度总体效应，设计了一种带翼模型和高精度滚转力矩天平。在Φ0.3m高超声速低密度风洞中进行了M6、总压约2×105Pa、氮气常温时（电弧加热器不通电）多种进气条件下的滚转力矩测量实验，结果表明流场中存在旋转，滚转力矩系数C_l最大为1.657×10-3，采用约2%总流量的反向气流可达到滚转力矩系数降低2个数量级的效果，为提高风洞流场品质提供了较为有效的解决措施。     

基于流固热耦合模型的并行电弧损伤影响分析

电弧故障可以释放很高的能量,对周围一定距离的物体和导线造成危害,其产生的热量甚至可以引起火灾。首先,理论分析电弧的能量在管路上的分配及其造成的影响,使用流固热耦合的数值计算方法,用于模拟流体和固体之间的实时热量交换。建立了有限元模型,对电弧损伤影响进行数值仿真研究,建立了电弧能量分配方程。最后,分析了直流28 V和交流115 V供电条件下的电弧损伤影响程度,验证了所建立的电弧能量分配方程的预测能力。仿真结果表明：电弧故障使得金属发生相变,其损伤影响程度与电弧功率系数、能量耗散因数等有关;当电弧功率增大后,管路相变吸收的能量所占电弧总能量的比重就越大;电弧功率系数是一个与管路和电弧位置间距有关的指数函数。