有声腔推力室的声学振型及其阻尼特性研究

为确定多声学模态压力振荡条件下带有1/4波长管声腔推力室的声学振型及其阻尼特性,揭示1/4波长管声腔对推力室压力振荡的抑制作用机理,对有声腔推力室和无声腔推力室进行近圆周壁面的定容弹激励仿真,激发了多模态的声学振型,给出了推力室压力分布的时空演化,并采用半带宽法定量评价每个激发声学振型的阻尼特性。结果表明：1/4波长管声腔成功抑制了目标振型（一阶切向振型）压力振荡,大幅度减小其幅值,而不是大幅度增加其半带宽,但可能增强其它非目标振型的压力振荡。声腔通过削弱目标振型波峰波谷压力差、声腔入口漩涡和增加壁面面积等三种方式来抑制目标振型压力振荡,主要以前者为主,前者旨在降低目标振型幅值,后两者是增加其半带宽。     

有声腔燃烧室的声学特性实验

为了掌握声腔对燃烧室声学特性的影响规律,采用冷态实验方法,研究了带有轴向直圆孔声腔的模拟燃烧室的声学特性,其中声腔长度、开口面积比（声腔横截面积除以燃烧室横截面积）和个数均可调节.研究结果表明:燃烧室固有频率随声腔长度的增加而逐渐减小;声腔存在最佳深度,能够抑制一阶切向振型,该最佳深度不受声腔开口面积比影响,略小于1/4一阶切向波长;对抑制一阶切向振型而言,声腔存在最佳开口面积比,在本研究中约为0.17;声腔的分布对燃烧室的声学特性影响较大,相同开口面积比下,声腔个数越多,声波衰减越快.      

隔板对燃烧室声学特性的影响

为了研究液体火箭发动机燃烧室出现的横向一阶切向燃烧不稳定,通过冷态声学试验和理论算例的计算,研究了不同参数的隔板装置对一阶切向声学频率及阻尼特性的影响,结果表明:增加轴向隔板长度和径向隔板数目均会降低一阶切向声学频率,同时增强声阻尼效果;喷嘴式隔板产生的声阻尼效果,比典型直板形状的隔板要好得多,隔板喷嘴最佳间隙在0.1~0.4mm,采用最佳隔板喷嘴间隙能够在较短的轴向隔板长度上得到较高的阻尼能力,从而改善冷却问题.      

Modeling and Optimal Design of 3 Degrees of Freedom Helmholtz Resonator in Hydraulic System

Three degrees of freedom (3-DOF) Helmholtz resonator which consists of three cylindrical necks and cavities connected in series (neck-cavity-neck-cavity-neck-cavity) is suitable to reduce flow pulsation in hydraulic system. A novel lumped parameter model (LPM) of 3-DOF Helmholtz resonator in hydraulic system is developed which considers the viscous friction loss of hydraulic fluid in the necks. Applying the Newton’s second law of motion to the equivalent mechanical model of the resonator, closed-form expression of transmission loss and resonance frequency is presented. Based on the LPM, an optimal design method which employs rotate vector optimization method (RVOM) is proposed. The purpose of the optimal design is to search the resonator’s unknown parameters so that its resonance frequencies can coincide with the pump-induced flow pulsation harmonics respectively. The optimal design method is realized to design 3-DOF Helmholtz resonator for a certain type of aviation piston pump hydraulic system. The optimization result shows the feasibility of this method, and the simulation under optimum parameters reveals that the LPM can get the same precision as transfer matrix method (TMM).     

Damping of Ni-Mn-Ga epoxy resin composites

By combining the advantages of effcient damping and high mechanical properties,Ni-Mn-Ga particle composites have a very good prospect for applications in damping structure design.In this paper,a ferromagnetic shape memory alloy Ni-Mn-Ga composite is prepared.Ni-Mn-Ga particle/bisphenol-A epoxy composite cantilever beam vibration tests under a magnetic feld and without the magnetic feld are conducted to analyze the structural damping ratios n.Meanwhile,the damping characteristics of the Ni-Mn-Ga composite are studied through the axial loading-unloading method and the acoustic emission signals method.The damping coeffcient of the composite for different Ni-Mn-Ga volume fractions is obtained.The interface properties of the composite are discussed by micro examination and axial loading.The relationships between the damping of the composite and that of the component materials are discussed.The specifc damping capacity（SDC）and acoustic emission counts diagram of different specimens with different Ni-Mn-Ga volume fractions are analyzed.     

液体火箭发动机径向不稳定燃烧数值分析模型

应用数值模拟分析方法对液体火箭发动机径向不稳定燃烧完成了初步分析，并分析了声腔的阻尼特性。数值方法采用一步隐式预测、两步显式校正进行非定常流动计算的PISO算法。建立了不稳定燃烧声腔分析模型及压力挑动模型，通过模拟计算压力扰动波的传播过程考察发动机的燃烧稳定性。     

气喷嘴和声腔对燃烧室声学特性的影响

为了掌握气喷嘴和声腔对燃烧室声学特性的影响规律以及解释声学实验中出现的切向频率分化现象的内在机理,采用声学有限元方法(FEM)并在单喷嘴声学模拟实验验证的基础上,从固有频率和声压分布角度分析了气喷嘴长度、声腔长度和节流嘴直径对燃烧室声学特性的影响规律,利用声压分布成功地解释了实验中出现的频率分化现象。结果表明:当燃烧室某阶切向振型频率与喷嘴1阶纵向振型频率相等时,喷嘴由于共振将切向振型声压幅值极值点附近的能量转移到喷嘴中,改变了燃烧室原切向振型的声压分布,因此在声学实验中产生切向频率分化现象；气喷嘴长度与节流嘴直径之间存在着耦合关系,在液氧煤油补燃发动机喷嘴设计阶段可进行组合参数匹配优化。      

推力室状态对其声学振型及其阻尼特性的影响

为确定工程中冷态条件下获得的推力室声学特性能否表征真实条件下的声学特性,研究了冷态无流动、热态气相流动和湍流两相燃烧三种状态下推力室声学振型及其阻尼特性。在推力室稳态流场中的有限区域施加数值定容弹,激发其具有多模态声学振型的大幅值压力振荡,采用衰减时间和半带宽来定量评价所激发的不同声学振型压力振荡衰减快慢,进而获得其阻尼特性。在相同过载比的数值定容弹激励下,在冷态条件下能激发包含更多声学振型压力振荡,且该振荡衰减时间更长,相同振型压力振荡衰减比热态条件下慢。在冷态条件下,一阶切向振型振幅最大,为最容易被激发声学振型;一阶纵向振型半带宽最小,为最难衰减的振型。在热态条件下,一阶纵向振型为最容易激发声学振型,也为最难衰减声学振型。从所激发的主要振型及其相对衰减的快慢来看,冷态条件下获得的声学特性能够表征真实条件下的推力室的声学特征。     

高声强下多狭缝共振腔的吸声性能

为深入理解高入射声强下多狭缝共振腔吸声机理,采用低频散低耗散的计算气动声学方法对二维多狭缝共振腔开展直接数值模拟研究.首先对标准单狭缝共振腔计算结果进行验证,随后相同的数值模拟方法被应用于相同穿孔率的多狭缝共振腔的数值模拟中.结果显示:高声强下涡脱落对吸声系数的贡献占据了主导地位,各入射频率下均超过68%.多狭缝低频时会导致脱落涡总能量的下降,而高频时升高;而黏性耗散作用随着共振腔狭缝数目的增加而增强.因此综合作用下低频时多狭缝共振腔对吸声效果影响不大,但在高频时多狭缝共振腔有更好的吸声效果.      

液体火箭发动机燃烧室波动过程数值分析

采用计算流体力学的方法,对液体火箭发动机燃烧室内波动过程进行了初步的探讨。采用两步ＰＩＳＯ算法,对流项采用二阶迎风格式,时空精度都为二阶。考察了方法的适用性,以及声学谐振器、声腔、隔板等燃烧不稳定抑制装置对燃烧室内波动过程的影响。结果表明,采用ＣＦＤ方法用于分析波动过程是可行的,谐振器、声腔与隔板对拢动波有明显的阻尼作用。     

异形腔体压电声衬声学性能

为提高压电声衬对低频噪声的抑制范围,对声衬腔体进行结构优化。利用平面波理论构建了两种曲线管道的声学物理模型,并分别建立了两种模型的传递矩阵,以此作为异形腔体亥姆霍兹共振器传递损失计算的理论依据,并通过仿真验证其正确性。结合压电振子的形变对声衬进行有限元仿真分析,结果表明:在压电振子施加500V驱动电压时,两种声衬频率偏移量分别为115Hz和120Hz。与圆柱形腔体声衬进行对比结果表明:在相同腔体厚度范围内,由曲率越大的曲线所生成的腔体,在相同驱动电压条件下,频率变化率越高,这为今后对声衬腔体结构优化提供一种有效的依据。      

利用共振吸声器改善飞机壁板的隔声量

 本文根据共振吸声器的吸声原理,设计了适合于螺旋浆推进的飞机舱壁板之间安装的小体积、低频共振吸声器。对单个共振吸声器的吸声系数进行了测量,理论和实验结果的一致性是令人满意的。在飞机壁板间安装了共振频率为85Hz和160Hz的混合共振器阵,使包含该频率的1/3频程内的隔声量分别提高了4dB和6.5dB,共振频率处的隔声量分别提高了5dB和7dB。     

具有气液同轴喷嘴的液体火箭发动机燃烧室压力振荡及其声学特性研究

为探究液氧/煤油液体火箭发动机气液同轴喷嘴模型燃烧室具有良好稳定性的原因,采用非稳态雷诺平均（URANS）方法数值研究了其燃烧不稳定性和声学特征。两相燃烧条件下,燃烧室压力振荡幅值约为室压的10%左右、最大不超过25%,且以纵向和横向振型为主。一周六径隔板对横向振型具有很强的抑制作用,但对纵向振型影响较小。与液-液撞击式液氧/煤油发动机模型燃烧室相比,本文研究的燃烧室中煤油液滴没有发生超临界蒸发现象,第三邓克尔数较小,诱发燃烧不稳定性的激励源较弱。进一步通过数值定容弹激发了燃烧室多模态声学特征压力振荡,并得到了其振荡特征频率、幅值和衰减率。结果表明,气喷嘴具有四分之一波长喷嘴特征,能显著减小目标振型的幅值,而集气腔对纵向振型具有很强的抑制作用,同时对其他振型也有程度不同的抑制效果。因此,较弱的燃烧不稳定性激发机制以及隔板、气喷嘴和集气腔对纵向和横向振型很强的抑制作用,使得该液氧/煤油发动机气液同轴燃烧室具有很好的稳定性。     

Conditions for exciting the maximal gas vibration amplitude in a combustion chamber of the Helmholtz resonator type

In this paper, we present the results of calculating conditions for gas vibration excitement, sound pressure frequency and level as a function of mixture composition, geometric burner parameters and the resonator throat with constant capacity. We estimate in quantity the parameters influencing a vibration combustion process in the Helmholtz resonator with the inlet multichannel burner which result in the maximum possible gas vibration amplitude value.     

Numerical evaluation of acoustic characteristics and their damping of a thrust chamber using a constant-volume bomb model

In order to numerically evaluate the acoustic characteristics of liquid rocket engine thrust chambers by means of a computational fluid dynamics method, a mathematical model of an artificial constant-volume bomb is proposed in this paper. A localized pressure pulse with a very high amplitude can be imposed on specified regions in a combustion chamber, the numerical procedure of which is described. Pressure oscillations actuated by the released constant-volume bomb can then be analyzed via Fast Fourier Transformation (FFT), and their modes can be identified according to the theoretical acoustic eigenfrequencies of the thrust chamber. The damping performances of the corresponding acoustic modes are evaluated by the half-power bandwidth method. The predicted acoustic characteristics and their damping for a special engine combustor agree well with the experimental data, validating the mathematical model and its numerical procedures. A small-thrust liquid rocket engine chamber is then analyzed by the present model. The First Longitudinal (1L) acoustic mode can be excited easily and is hard to be damped. The axial position of the central constant-volume bomb has little influence on the amplitude and damping capacity of the First Radial (1R) and 1L acoustic modes. Tangential acoustic modes can only be triggered by an off-centered constant-volume bomb, among which the First Tangential (1T) mode is the strongest and regarded as the most harmful one. The amplitude of the 1L acoustic mode is smaller, but its damping factor is larger, as a constant-volume bomb is imposed approaching the injector face. These results are contributed to evaluate the acoustic characteristics and their damping of the combustion chamber.     

快速凝固/粉末冶金工艺Al-Fe-Mo-Si基复合阻尼材料阻尼性能与机制

通过对材料动态力学性能的测试,研究了采用快速凝固/粉末冶金工艺制备的Al-Fe-Mo-Si基复合阻尼材料Al-Fe-Mo-Si/Zn-Al和Al-Fe-Mo-Si/Al/Zn Al的阻尼性能,并对其阻尼机制进行了讨论。结果表明:在20～250℃的温度范围内,两种材料的阻尼性能(Q-1)处于(0.5～3.1)×10-2之间,复合有较多Zn Al且挤压比较大的Al Fe Mo-Si/Zn-Al的阻尼性能要优于Al-Fe-Mo-Si/Al/Zn-Al。低温时由大挤压变形引入的高密度位错阻尼在材料内耗机制中占据主导地位,而在高温区界面阻尼的影响逐渐增加,同时由于热激活作用,位错阻尼随着温度的升高表现出不同的作用机制,二者共同决定着材料的内耗特性。     

考虑剪切效应的复合材料层合板阻尼特性研究

为了对复合材料结构设计模型进行优化,基于Hencky假设,考虑剪切应力的影响,建立了复合材料层合板的有限元分析模型,在微观力学角度上改进3相桥联模型,预测能量损耗因子,获得目标复合材料层合板的固有频率、振型以及比阻尼容量等振动相关参数。以碳纤维材料层合板为例,将计算结果与现有文献结果进行对比,验证了改进模型的正确性。矩形层合板具体分析结果表明:复合材料层合板在一端固支下,无论是长度还是宽度的变化,对第1阶固有频率的影响都很微弱;第4、5阶固有频率表现出趋于同频现象,振型也会产生类似变化趋势;在长度和宽度变化下,第6阶模态结果则表现出相反的对数变化轨迹。     

航空发动机叶片高频模态阻尼的实验测试方法

以NASA Rotor37叶片为对象,研究了航空发动机叶片的高频模态阻尼比的实验测试方法.实验分析和数值计算均说明:在随机声激励下获得频响曲线将包含由支撑结构振动造成的峰值.基于此提出在支撑结构上布置多个传感器的实验方案,并以支撑结构的振动峰值位置和能量相对大小来判定叶片振动主导的振动峰值.用小波阈值收缩法和曲线拟合法对这些振动峰值进行了降噪和模态阻尼比识别,给出了实测模型在10kHz内“叶片主导振动”的模态阻尼比.结果表明:一般的结构金属材料条件下,叶片结构的高频模态阻尼比的数量级小于1%,且随频率增加呈下降趋势.      

轮体结构颗粒阻尼器设计方法

利用离散元法及正交设计方法,对典型轮体结构发生伞形振动时的二维等效振动模型进行了空腔尺寸及颗粒填充方案的数值设计,并结合振动试验结果给出了轮体结构颗粒阻尼器的设计流程及设计准则.研究表明:1建立的二维等效振动模型在能够反映轮体结构伞形振动基本特征的同时,也可以较为准确地模拟内部颗粒运动对结构产生的影响;2颗粒阻尼对轮体结构的振动有明显的改善作用,但填充不同材质的颗粒,其减振效果会有较为明显的区别;3空腔的尺寸及颗粒的质量率对颗粒阻尼的影响显著,应首先保证的是较高的颗粒质量率;4由于碰撞间隙的作用,对于固定规格的空腔和颗粒,存在最佳颗粒体积填充率使得颗粒阻尼的减振效果最佳.由试验与数值模拟的最佳方案的一致性可知,发展的设计方法可以较为准确地给出轮体结构颗粒阻尼器的最优空腔尺寸及其对应的最佳填充方法,可用于轮体结构伞形振动减振方案的前期设计.     

微玻璃半球壳体谐振子的设计、制备与表征

近年来美国国防高级研究计划局大力推进三维壳体谐振陀螺(尤其是高性能半球谐振陀螺)的微型化,以实现惯导级性能的微机械振动陀螺。提出发泡法制备直径小于1cm的微壳体谐振子,利用发泡剂在高温下释放气体,使软化后的玻璃在气压差和表面张力的作用下形成三维轴对称壳体。大气环境下多普勒测振仪的测试结果表明,利用发泡法制备的微壳体谐振子的酒杯二阶模态的谐振频率为11kHz,频率分裂值为72Hz,相对裂解值为0.65%,相应的品质因子Q值约为970和1127。发泡法有望提供一种低成本、高性能微壳体谐振子的制备方法。