预存气体闭端管路的充填水击研究

为提升补燃循环发动机仿真平台的分布参数计算能力,针对常温液体充填预存气体闭端管路的水击现象,本文使用Modelica语言基于MWorks平台建立了一维有限体积的管路充填模型,并分别使用该模型和集中参数模型对现有文献中的充填水击实验进行了仿真模拟,结果表明：对于预存气体0.1MPa的工况下,一维有限体积模型与集中参数模型对实验的模拟度均较为接近;而在管路接近真空的工况下,一维有限体积模型的计算结果与实验数据吻合度很高,集中参数模型误差则高达76%左右。在不同预存气体压力下的计算结果表明：在管路刚度一定的条件下,预存气体压力0.1MPa以下时,气体的压缩缓冲作用是充填过程中水击压力峰值得到减弱的主要原因;在预存气体压力0.1MPa以上时,气体的缓冲作用与充填流量的减小共同导致了充填水击压力峰值的减弱。对不同弹性管路的计算表明：在闭端管路的充填过程中,管壁弹性对近真空管路的影响相对较大,对预存气体压力较大的管路几乎没有影响。     

火箭贮箱增压系统起动关闭过程压力冲击计算

为研究火箭贮箱增压系统起动、关闭瞬变过程中压力冲击的产生过程和传播规律,采用可应用于多种气体计算的拉格朗日坐标下的一维非定常气体运动方程有限差分格式求解管路流动,管路元件由反映其动态过程的常微分方程数值求解,气体摩擦损失使用准稳态公式计算.采用B-B(Beattie-Bridgeman)方程描述真实气体热力学关系.对某增压系统模型起动、关闭中包括压力冲击在内的动态过程进行了计算.计算表明:起动过程中,压力冲击变化大,压力振荡周期短、频率高、衰减迅速;关闭过程中,压力冲击变化小,压力振荡周期长、频率低、衰减缓慢.两种过程中都出现了高于气瓶增压压力的冲击压力峰值.数学模型和方法在火箭贮箱增压系统瞬变过程的计算中显示了较好的有效性.      

超燃冲压发动机燃油供给系统两相瞬变数值模拟

为揭示冲压发动机燃油介质中不同的含气量对供油系统瞬态行为的影响,在基于气体释放的物理模型和特征线算法的数学模型上,以超燃冲压发动机燃油供给系统为分析对象,对压力油箱、涡轮泵、控制阀门、输油管道、喷嘴支管等进行建模。模拟计算了在初始燃油介质中不含空气和分别含有1%与5%体积分数的空气时,供油系统分别在启泵开阀和转速阶跃下降工况下的气液两相瞬态特性。计算结果表明:在启泵开阀和转速阶跃下降的过程中,涡轮泵前的波峰压力和空泡体积会受到燃油介质中所含空气的影响,并且含气量的变化会使泵进口管段出现不同形式的压力脉动情况。     

水下高速射流气泡变化过程数值研究

为研究水下高速射流气泡变化规律,采用VOF(Volume of Fluids)模型分别对水下等温高速气体射流和热高速气体射流动态流场进行了气水耦合数值求解。其中热射流考虑了汽化因素对气泡内气流场的影响,数值模拟了气泡的形成、发展、断裂及融合过程,揭示了气泡中压力和马赫数等参数的变化规律,得出了水下点火初期的流场特征。研究发现:在相同入口压力下,热射流产生气泡的空间尺度比等温射流产生的气泡空间尺度要小;气泡发展过程中会出现颈缩,也可能断裂,断裂与否取决于气泡颈缩处内外压差,气泡的颈缩与断裂是产生压力脉动的重要因素,并决定了压力峰的位置和大小,气泡断裂位置越靠近喷管出口,压力峰值越大,该压力峰值会影响火箭发动机尾流场特性。     

推进剂管路充填过程的数值模拟

基于一维管路瞬变流理论,利用特征线有限差分法,建立了推进剂供应系统管路充填过程的数学模型.利用坐标变换方法,将管路内液体与时间相关的求解区域变换为求解较方便的固定求解区域,很好地处理了模型的移动边界问题.对由贮箱、隔离阀、管道组成的系统充填过程进行了仿真计算,并将计算结果与传统的采用特征线方法获得的结果进行对比分析,验证了方法的有效性.进一步研究了最大压力峰值的影响因素,结果表明:增多初始气体压力、减小贮箱压力、增多多变指数可有效减小最大压力峰值.      

用二阶矩两相湍流模型模拟鼓泡床内气泡—液体湍流两相流动

建立了二阶矩气液两相湍流模型，模拟了不同工况下二维矩形断面气液鼓泡床中气泡－液体湍流两相流动，给出了气泡和液体的速度场、气泡体积分数和两相雷诺应力分布，基本工况的模拟结果与美国俄亥俄州立大学PIV测量结果符合较好。文中研究了不同气体表观速度对两相流场的影响。模拟结果显示了鼓泡床内液体的回流流动和气泡的上升运动、各向异性的上湍流，气泡湍流脉动比液体的强，以及气泡体积分数和两相湍流强度随着气体表观速度的增大而增大等规律。     

管路系统通过调节阀控制气体流动的动态数学模型建立

分别推导出管路系统单元气体流动的动态数学模型,并对一个完整的管路系统进行了以调节阀的开度作为输入,被控参数作为输出的建模示例,分别建立了比例调节、容器压力调节及管路流量、压力调节比较精确的数学模型。     

液压直角管路压力波动特性计算与试验对比研究

为了探索液压直角管路内部的瞬态流动特征,熟悉压力波动特性的形成机理,采用大涡模拟方法对某型活门出口处1段直角管路进行数值模拟,捕捉局部涡旋结构的动态特性,并与粒子图像测速和激光多普勒测速试验结果进行对比。结果表明:大涡模拟方法能精确模拟直角管路内部的瞬态速度场,与试验结果吻合较好;在直角拐弯处存在明显的涡旋脱落现象,同时伴随着涡旋诱导的局部低压区域尺度与位置变化,从而导致压力波动问题的产生。     

基于内外传热耦合的热气防冰系统仿真计算

基于内外传热耦合原理,建立了热气防冰系统的AMESim仿真模型,研究热气防冰系统在不同引气状态下,管路流量、压力及蒙皮温度的变化规律.采用所建立的仿真方法,计算飞机机翼热气防冰系统的内部流动特性和内外耦合传热特性,将计算结果与热气防冰系统流量分配试验结果进行对比.结果表明:管路流量、压力和蒙皮温度的仿真计算结果与试验结果最大误差为9%,验证了该仿真模型的正确性.在此基础上,对飞机短舱热气防冰系统进行了仿真,分析了飞行包线下系统内外的换热、温度变化、加热效率等关键参数的瞬态特性.仿真结果为热气防冰系统的设计、分析与优化提供依据.      

飞翼布局飞行器大迎角非定常气动建模

为进一步研究复杂流场气动力模型和辨识方法,通过常规飞翼布局飞行器动态单独俯仰和单独滚转试验数据获得"同相"和"反相"导数。在采用状态空间法建立非定常数学模型的基础上,利用两步线性回归辨识出模型参数,给出带有误差限的特征时间常数分布。数学模型辨识结果与大迎角大振幅运动的试验数据对比表明,该模型建模结果基本上与试验气动数据变化一致,能够反映模型大迎角时的非线性和非定常特性,具有可用性。     

水下冲击波聚焦作用下空化效应的实验研究

冲击波聚焦在聚焦区域形成局部较高压力的同时还会在焦区产生空化效应。基于旋转椭球面反射罩及置于其焦点的水中脉冲放电声源建立了水下冲击波聚焦系统。通过压力传感器测量了反射罩轴向的压力历程曲线及峰值压力分布。同时,搭建了高速摄影所需的光学装置,拍摄了空化现象的高速摄影图片,对水下冲击波聚焦过程和空化汽泡的产生、发展及湮灭的整个过程进行了研究。对压力历程曲线和高速摄影所得结果进行对比分析得到空化现象产生的物理过程。实验结果表明：负压是空化现象发生的主要原因,空化汽泡的塌缩时间与汽泡半径存在线性关系,并且汽泡膨胀阶段持续的时间大于塌缩阶段持续的时间。     

Stagnation temperature effect on the conical shock with application for air

The aim of this work is to realize a new numerical program based on the development of a mathematical model allowing determining the parameters of the supersonic flow through a conical shock under hypothesis at high temperature, in the context of correcting the perfect gas model. In this case, the specific heat at constant pressure does not remain constant and varies with the increase of temperature. The stagnation temperature becomes an important parameter in the calculation. The mathematical model is presented by the numerical resolution of a system of first-order nonlinear differential equations with three coupled unknowns for initial conditions. The numerical resolution is made by adapting the higher order Runge Kutta method. The parameters through the conical shock can be determined by considering a new model of an oblique shock at high temperature. All isentropic parameters of after the shock flow depend on the deviation of the flow from the transverse direction. The comparison of the results is done with the perfect gas model for low stagnation temperatures, upstream Mach number and cone deviation angle. A calculation of the error is made between our high temperature model and the perfect gas model. The application is made for air.     

Transient simulation of a differential piston warm gas self-pressurization system for liquid attitude and divert propulsion system

In order to obtain the dynamic characteristics of a differential piston warm gas selfpressurization system for liquid attitude and divert propulsion system, a transient model is developed using the modular modeling method. The system includes the solid start cartridge,pressure-amplified tank with liquid monopropellant, liquid regulator, gas generator, and pipes.The one-dimensional finite-element state-variable model is applied to the pipes and the lumped parameter method is adopted for the other modules. The variations of the system operation parameters over time during the startup, steady-state, and pulsing operational processes are obtained from the transient model, and the characteristics of starting time changing with different system parameters are also analyzed. It is shown that the system startup process can be divided into three distinct processes. The starting time monotonically changes with variations of the liquid regulator parameters, first decreasing and then increasing with the mass change of the solid propellant charge of the start cartridge, initial gas cavity volume of the pressure amplified tank and initial gas cushion of the propellant tank. The starting time can be reduced to less than 1.0 s(0.68–0.75 s for the current system). For meeting the deviation requirements of ±10% of the steady-state propellant tank pressure, the positive deviation requirement is assured by the self-locking pressure and the negative deviation can be assured within an allowable maximum propellant tank volume flowrate(1.6 times the design value for the proposed system) for downstream thrusters for a designed system. The results from the simulation are useful as a guide for further system design and testing.     

民机液压系统安全阀下游回油管路动态压力分析

针对民机液压系统中液压泵持续大流量输出导致安全阀开启后瞬时向回油管路泄压这种回油管路压力较高的典型场景,基于AMESim软件平台建立了安全阀下游回油管路动态压力分析模型,对一些可能影响安全阀下游回油管路动态压力的液压系统元件及参数进行了分析。仿真结果分析表明:液压系统中元件的液容和液阻效应可以降低回油管路动态压力峰值;系统安全阀开启快慢对下游回油管路动态压力峰值有明显影响。当溢流阀开启时间在一定范围内时,溢流阀开启速度越快,回油管路动态压力峰值越低。当溢流阀开启时间超过一定范围时,溢流阀开启速度越慢,回油管路动态压力峰值越低;系统中增加蓄压器回油管路动态压力峰值明显降低,且蓄压器体积越大,回油管路动态压力峰值越低,但变化相对较小。蓄压器的有无对回油管路动态压力峰值的影响较大,其体积大小相对来说影响较小。仿真结果能够为民机液压系统设计初期回油管路设计压力确定提供参考。     

基于燃气射流冷凝的氧路系统频率特性研究

基于热力学不平衡两流体六方程模型模拟了液氧煤油补燃循环发动机燃气射流在氧路系统泵间管路液氧流体中的冷凝过程，获得了燃气射流冷凝特征参数沿管路流向的分布规律。根据Rayleigh-Plesset方程和燃气射流特性建立了泵间管路燃气冷凝过程的传递函数模型，并与氧路管路、泵等组件模型联立求解，分析了发动机氧路系统频率特性。研究了在不同氧路入口压力和液氧温度边界条件下，泵间管路燃气射流冷凝过程对氧路系统频率特性的影响，仿真结果表明高入口压力和过冷液氧改变了射流气体的惯性和柔度，使得氧路系统特征频率增大。不同边界条件下发动机热试车结果表明，提高氧路入口压力或降低液氧温度使得氧路系统频率从8.3 Hz提高至11 Hz，与数值仿真结果一致，验证了泵间管燃气射流冷凝过程是影响氧路系统频率特性的重要环节。     

热效应对涡喷发动机过渡过程的影响

涡轮喷气发动机的过渡过程是个很复杂的物理过程。为了分析发动战的加速性,工作稳定性以及设计发动机燃油控制系统,需要建立一个精确的过渡过程数字模型。目前比较通用的过渡过程数学模型,大案是只考虑发动机转子惯性和发动机流道上的容腔影响。许多计算证明,对于一般过渡过程容腔影响极小,完全可以忽略不计。      

A novel approach for predicting inlet pressure of aircraft hydraulic pumps under transient conditions

Cavitation caused by insufficient suction is a major factor that influences the life of aircraft pumps. Currently, pressurizing the tank can solve the cavitation problem under steady large-flow conditions. However, this method is not always effective under transient conditions (from zero flow to full flow in a very short time). Moreover, to apply and design other measures, such as a boost impeller, the suction dynamics during the transient period must be investigated. In this paper, a novel approach based on the pressure wave propagation theory is proposed for predicting the inlet pressure of an aircraft pump under transient conditions. First, a dynamic model of a typical aircraft pump is established in the form of differential equations. Then, the transient flow model of the inlet line is described using momentum and continuity equations, and the governing equations are discretized by the method of characteristics and the finite difference method. The simulated results are in good agreement with the results from verification tests. Further simulation analysis indicates that the wave velocity and transient time may influence the inlet and reservoir pressure as well as the size of the inlet line. Finally, solutions for upgrading the inlet pressure are discussed. These solutions provide guidelines for designing inlet installations.     

燃油离心泵多目标优化设计及仿真分析

针对燃油离心泵高效、高抗汽蚀优化设计问题,进行了基于损失模型和SQP算法下的多目标优化设计并进行了仿真应用。首先,考虑叶轮、蜗壳等通流部件内的水利损失、容积损失以及机械损失,建立表征离心泵效率的综合损失模型;结合基于必须汽蚀余量计算下的汽蚀表征函数以确定离心泵多目标函数。进而,利用SQP算法构造合理的适应度函数,结合约束条件确定离心泵多目标优化设计的数学模型。其次,对某型燃油离心泵进行基于SQP算法的优化设计并与其他常用优化算法进行对比。可以看到：各优化算法的最优结果几乎相似,但SQP算法对多维非线性方程组优化求解所用的迭代步数相对较少。最后,利用CFD技术进行仿真及外特性预测,以验证基于SQP算法下燃油离心泵多目标优化设计的有效性。结果表明：相比传统方法设计的原型离心泵,基于SQP算法优化的离心泵内流场压力分布相对均匀,流动损失更低,且进口流动有利于抗汽蚀性能;从外特性结果来看,基于SQP算法优化的离心泵高效工作区域相对宽广,必须汽蚀余量相对较低,抗汽蚀性能有所改善。