航天器介质盘环结构内带电特性三维仿真分析

针对航天器内特定结构的内带电（IDC）问题，以航天器典型复杂介质结构——太阳帆板驱动机构介质盘环为研究对象，开展了地球同步轨道恶劣充电环境（Flumic3）下介质内带电三维仿真分析。通过Geant4实现电荷输运模拟，根据电荷守恒定律数值计算得到电场，在此基础上，研究了屏蔽厚度对介质内带电的影响规律，提出了根据屏蔽厚度调整入射电子能谱能量下限以提高计算效率的方法。仿真结果表明，盘环结构内带电最严重部位是盘环最外圈上层介质与金属导电环接触的上边沿；增加屏蔽厚度可以减缓充电风险，但是随着温度降低，屏蔽效果会随之减弱。在地球同步轨道恶劣充电环境（Flumic3）下，当温度低至183 K时，由于辐射诱导电导率成为总电导率的主导部分，从而增大屏蔽的同时也会降低介质电导率，导致即使3 mm铝屏蔽下仍可能出现接近10⁷ V/m的场强峰值。     

选择性激光熔化过程中熔池演变与金属飞溅特性数值模拟

选择性激光熔化(SLM)成形技术是新型增材制造技术的一个重要发展领域。通过建立用于选择性激光熔化成形的高保真粉末尺度激光熔化模型，展现了粉末层从开始熔化、熔滴飞溅到熔道成形、冷却凝固的全过程。熔滴飞溅行为是金属粉末层熔合工艺中难以避免的成形缺陷来源，借助数值模拟手段还原了激光熔合过程中飞溅现象的演变过程，克服了实际实验难以捕捉到熔池内部及熔滴飞溅行为定量表征信息的难题，获取了熔融液滴飞溅的变形机制以及飞溅过程中随时间变化的温度、速度、压力、位置偏移等信息。结果显示，金属蒸气作用与惰性气体流动共同驱动了熔池流动与熔滴的飞溅行为，高温熔体流速为1～6 m/s,熔滴飞溅速度为1～4 m/s。随着工艺参数的调整，飞溅熔滴的体积形态与飞溅方向均发生变化。结合实验分析，追踪了熔滴飞溅的运动轨迹以及熔滴在空中飞溅时的“二次爆炸”与“旋球”行为。该研究补充了实际实验对于飞溅行为的分析理解，通过提取飞溅物完整寿命周期能量吸收耗散的量化信息，进一步促进了激光熔合过程中复杂的流体流动与飞溅现象的动力学表征。     

基于流管试验的管道声传播预测

通过平板声衬流管试验，测试了管道内无流动和有流动下不同入射声波频率的管道壁面复声压，并基于试验模型与数据分别开展了二维和三维管道声传播预测，将试验测量结果与预测结果进行了对比。结果表明:二维和三维的预测结果非常吻合，尤其是在无流动条件下；在不同流动条件和不同频率下，声传播预测给出了与试验数据较为吻合的结果，壁面声压级的趋势与试验结果一致，基本验证了管道声传播预测模型的准确性；对比不同流动条件和频率点，有流动下预测的壁面声压级的误差比无流动更大，低频下预测的壁面声压级的误差比高频更大。      

旋转失速状态下叶片激振频率的研究

研究了各不同几何状态下（平均半径处叶片安装角从３２．９°－４７．９°，叶栅稠度从０．５８３－１．１６５）的旋转失速流场及叶片受迫振动的激振频率。在失速压力信号为非正弦信号及周向叶片并非完全轴对称的假设下，建立了旋转失速状态下叶片激振频率的预测公式，预测结果与实验结果较好的吻合表明，本文所提出的预测公式是可靠的，满足工程精度要求。     

等离子喷涂熔滴扁平过程数值模拟

采用 Ｐ Ｈ Ｏ Ｅ Ｎ Ｉ Ｃ Ｓ 流体动力学计算软件,结合 Ｍａｒｋｅｒ＿ Ａｎｄ＿ Ｃｅｌｌ 技术,模拟研究了等离子喷涂熔滴碰撞基体后的扁平过程。结果表明,熔滴沿基体表面的最大铺展速度主要和碰撞速度有关;初始碰撞压力与熔滴的密度及碰撞速度的平方成正比;熔滴的扁平率随熔滴的密度和碰撞速度的增大而增大。     

金属微滴水平喷射关键参数调控机制及试验

均匀金属微滴喷射3D打印技术是一种极具应用前景的空间金属增材制造技术,明晰其重力敏感度是实现该技术空间化应用的前提。在地基条件下,将熔滴喷射沉积方向翻转至水平状态是直观反映其打印过程重力效应的有效方法。针对熔滴水平稳定喷射调控的难题,建立了熔滴水平喷射流体力学模型及压电激振动力学模型,通过试验,探究了熔滴水平喷射不稳定形成机制,明晰了不同喷射行为下的激振特性,揭示了熔滴水平稳定喷射调控规律。结果表明：压电模块驱动信号（脉宽、幅值）对激振杆振动特性影响极为显著,激振杆行程随幅值或脉宽的增加呈现出先增加后减小的变化规律;通过改变激振杆振动特性可调控熔滴直径、初始喷射速度及喷射稳定性,熔滴直径随幅值增大而减小,但受脉宽影响不大,而喷射速度与幅值及脉宽均正相关。基于此,试验得到了尺寸均匀的金属熔滴,并水平沉积打印出与设计模型一致的结构特征。     

蜂群无人机充电排队优化方法

针对蜂群无人机快速充电排队问题，首次提出以平均队列长度和平均等待时间作为蜂群无人机充电排队优劣的评价指标。并通过理论分析和数值计算，在多充电平台的条件下，对蜂群无人机的分布式充电和集中式充电2种充电排队方式进行了比较和分析。得出蜂群无人机在泊松到达的条件下，随着服务强度的增加，评价指标对应的曲线出现了一个交叉点。在这个交叉点前，即服务强度较弱时，集中式充电排队方式优于分布式充电排队方式。在交叉点之后，即随着服务强度的增强，分布式充电排队方式将逐渐优于集中式充电排队方式。本文为蜂群无人机高效地完成任务提供了快速充电排队解决方案。     

热声激励下高温合金薄壁结构振动响应试验验证与疲劳寿命预测

为了研究金属薄壁结构在热声循环激励下形成的内部残余应力(Residual Stress)对模态频率、响应规律及疲劳性能的影响，采用耦合的有限元/边界元法(FEM/BEM)对薄壁结构进行振动响应计算，重点研究带残余应力结构的动力学响应特性，并与试验结果进行对比分析。结果表明，不同温度下基频的计算值与试验值获得很好的一致性，计算的应变响应结果与试验测试结果量值相当，验证了热声响应计算方法与模型的有效性。最终结合改进雨流计数法(Improved Rain-flow Counting)、Morrow平均应力模型、Miner线性损伤累积理论计算随机疲劳寿命。结果表明，带残余应力结构在屈曲前后温度为50℃，150℃，250℃所对应的损伤量级分别为10-7，10-4，10-7，疲劳寿命也表现出先减小后增大趋势，且硬化现象使疲劳寿命整体降低，寿命谷值随温度变化发生偏移。     

填充焊丝对6061铝合金激光焊缝成形的影响

采用ER5356焊丝研究了光丝间距对焊丝进入熔池的熔滴过渡方式的影响,对比分析了送丝速度、焊丝成分对焊缝成形的影响规律.结果表明:不同范围内的光丝间距,导致焊接过程中的熔滴过渡方式不同;相对于颗粒过渡,表面张力过渡方式更有利于获得较好的焊缝成形;送丝速度对焊缝熔宽的影响不大,但对焊缝正面余高和背面下塌量的影响较为显著;相对于ER4043焊丝,ER5356焊丝更适于6061铝合金的激光填丝焊接.     

风洞实验中机翼振动对气动特性影响的计算分析

通过求解非定常N-S方程研究了弹性机翼在低速气流中振动时的气动特性,并与刚性机翼气动特性做了比较。通过结构有限元方法计算出模型机翼的结构模态和相应振动频率,假设机翼以最小刚度的弯曲模态振动,计算了不同振幅下不同迎角、尤其是失速迎角附近的升力特性。计算结果表明,在小振幅下机翼的平均升力特性和刚性机翼相差很小,但当振幅达到一定幅度后,振动机翼下平均升力特性与刚性机翼的结果有较明显的差别,主要表现在最大升力系数的降低和失速迎角的减小。此结果可以解释实际风洞实验中最大升力系数往往小于CFD结果、实验中最大升力系数对应的迎角也比CFD结果小的现象。     

水滴撞击特性的粒子统计法研究

基于水滴撞击特性研究的拉格朗日方法,提出了适合于考察非定常情况的粒子统计法.通过统计非定常流场中不同时刻撞击在防冰表面上不同区域的粒子数,获得防冰表面上粒子浓度分布随时间的变化情况,与基于染色法水滴撞击试验获得的色度分布具有直接对应关系;采用基于染色法的动态图像测量方法对某型发动机帽罩缩比模型开展了水滴撞击特性试验,对所提粒子统计法进行了验证.基于拉格朗日方法的粒子统计法获得的计算结果与试验结果符合较好,与采用拉格朗日轨迹法获得的结果具有较好的一致性.粒子统计法所模拟的物理过程与试验过程一致,在处理湍流随机性和来流液态水含量分布不均等方面具有优势.     

结冰风洞试验水滴直径选取方法

结冰风洞是开展飞机结冰研究的主要设备,确定合理的试验水滴大小,是选取结冰风洞试验条件的重要内容。为了研究结冰风洞试验水滴直径的选取原则,针对结冰风洞试验水滴的大小主要取决于试验速度的大小,在推导结冰风洞试验水滴直径选取公式的基础上,用数值方法预测并对比了不同试验速度对水滴大小选取效果及试验结果的影响。采用欧拉法数值计算了不同试验速度及相应试验水滴条件下,试验模型表面的水滴收集率,并与全尺寸物体表面的水滴收集率进行了对比。研究发现:对于小水滴,当参考速度较低时,试验速度与参考速度的比值不能取得太低,参考速度升高到一定程度之后,试验速度与参考速度的比值又不能取得太高;对于大水滴,当参考速度较低时,试验速度与参考速度的比值也不能取得太低,当参考速度升高到一定程度之后,试验速度和相应试验水滴直径的改变对模型表面的水滴收集率影响较小,试验速度与参考速度的比值在0.3～1.0之间变动,均可以在模型和全尺寸物体上得到一致的水滴收集率。     

旋转部件复杂表面水滴撞击计算

为模拟旋转体结冰问题的过冷水滴运动及撞击过程,基于欧拉方法及单旋转坐标系模型,建立了三维旋转水滴运动模型,并提出了相应的数值求解方法。采用单旋转坐标系对空气及水滴两相流动过程进行处理,通过引入惯性力,将惯性系下的周期转动边界转换为定常流动边界;利用欧拉方法,使用单向耦合形式描述空气—水滴流场;在单旋转坐标系下,向控制方程内引入科里奥利加速度及牵连加速度,进行非惯性系下欧拉方程的修正,从而描述水滴运动过程;采用有限容积求解器对空气及水滴运动的控制方程组进行求解,通过引入源项定义单旋转坐标系下的惯性力,得到空气流场及水滴场的速度、体积分数分布,进而得到表面水滴撞击特性。采用上述方法对旋转帽罩与叶片模型进行算例分析,结果表明所建立的旋转水滴计算方法有效,对比静止状态表面的结果,旋转对帽罩的水滴撞击特性影响甚小,而对桨叶存在显著影响;由于帽罩具有中心对称的特性,因而旋转带来的切向速度变化对其水滴撞击特性影响不明显;桨叶表面水滴收集系数随旋转角速度增大而增大,同时收集系数在表面的分布会向迎风方向偏移,较大的角速度对应了更为显著的收集系数增幅与偏移现象。     

基于混合神经网络模型的磨粒电荷检测方法研究

由于传统的滑油磨粒在线监测方法无法获取电荷分布位置信息,难以准确测量荷电颗粒数目及其携带的电荷量。为此,本文提出一种基于静电层析成像（Electrostatic tomography,EST）技术和深度学习算法的荷电颗粒检测方法。对EST传感器测量数据采用BP神经网络算法重建出测量截面上电荷的分布图像,采用卷积神经网络（Convolutional neural networks,CNN）算法分析重建图像以识别荷电颗粒数目,将识别的颗粒数目和传感器测量数据组合成输入向量,通过1个多层前馈网络确定带电颗粒数目、感应电荷值与颗粒电荷量值之间的映射关系,得到准确的各颗粒的电荷量值。实验结果表明：混合神经网络模型对数据样本的测量误差为9%,可满足滑油监测对于准确性的要求。     

基于光滑粒子流体动力学方法的液滴蒸发问题数值模拟研究

基于光滑粒子流体动力学方法（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH），开展了SPH新算法在蒸发燃烧领域的研究。建立了适用于SPH方法的蒸发数值模型，推导了基于傅立叶热传导公式和菲克扩散定律的SPH离散方程；借鉴VOF方法（Volume of Fluid）的思想，提出了SPH粒子的液相质量分数的概念，以有效表征蒸发过程中的相变问题。采用SPH方法对高温环境中单个液滴的蒸发过程进行数值模拟，结果符合D2定律，与理论模型相一致；在强迫对流环境中，液滴的蒸发过程受到对流作用及表面张力的影响，蒸发速率加快；进一步对双液滴在静止、对流环境中的蒸发过程进行数值模拟研究。结果表明，液滴的间距、滴径对多个液滴的蒸发过程影响至关重要，液滴间距至少在两倍的液滴直径以上，相互之间的影响才可以近似忽略。通过本文研究，拓宽了SPH方法在蒸发相变领域的应用范围，研究结果也能够为进一步的燃烧问题研究奠定基础。     

振荡环境下推进剂液滴亚临界蒸发响应特性

针对推进剂液滴在惰性气体中的蒸发过程建立了非定常物理模型,并应用全隐差分格式离散模型方程进行数值求解。研究了液滴蒸发过程对环境气体压力振荡的响应特性,可为液体火箭发动机不稳定燃烧分析提供理论基础。      

冰风洞试验中水滴的传热传质计算研究

进行冰风洞试验时,出口过冷水滴的参数往往使用风洞来流空气参数进行计算,忽略了真实情况下水滴与空气的传热传质过程,致使试验数据产生偏差,并影响测试结果的可靠性.通过对冰风洞试验中水滴的运动过程进行研究,考察了水滴与空气主流间的传热与传质现象,建立了水滴运动过程中参数变化的控制方程.基于该方程编制了冰风洞水滴粒径温度变化分析软件,计算分析了过冷水滴在行进过程中相关参数的变化曲线,比较了不同初始条件及各参数对水滴温度、直径和速度的影响.结果表明:不同环境下水滴在运动过程中温度、尺寸和速度变化受来流温度、速度、相对湿度和水滴初始温度的影响,呈现出不同的特点,不能忽略水滴状态参数在冰风洞内的变化.     

液滴喷射过程流场和温度场的数值模拟

 建立了液滴喷射过程流场和温度场的计算模型，研究了在外加周期性正弦扰动作用下，石蜡液滴形成过程的流场和温度场及其变化情况，给出了不同扰动频率下所形成液滴的形态及其变化规律，得出了比较均匀的液滴流，指出扰动频率对液滴的形成及其均匀性具有重要影响。模拟结果与文献中的实验结果吻合较好。     

单液滴破碎流动机理试验研究

为了研究单液滴破碎内部流动机理,采用高速摄像机对不同流场分布中的液滴变形、破碎过程进行了捕获.基于试验中获得的现象,分析了液滴环境流场结构对液滴变形、破碎过程的影响,对液滴破碎流动机理进行了相关验证,并对其做了进一步完善.研究结果表明:气流的作用强度及液滴内、外部液体的流动特性决定了液滴不同破碎模式的发生;在气流作用下,在液滴的外部,液体沿气流方向的前、后驻点向垂直于气流方向的中心截面极点处运动;而在液滴的内部,为了克服液滴沿气流方向被压缩、沿垂直于气流方向伸展,在阻碍液滴变形内力的作用下,液体沿垂直于气流方向的上、下2极点向液滴中心位置处运动,使得液滴仍然保持球形.     

液滴冲击移动液膜的数值研究

为了研究液滴冲击移动液膜问题,建立了三维不可压缩层流计算模型,基于耦合的水平集-流体体积法对两相界面进行追踪,探讨了液膜速度和厚度、液滴直径和速度对冲击移动液膜过程的影响。研究表明:液膜静止时,冲击结果是对称的,而液膜移动时,冲击结果变为非对称;液膜速度对冠上游生长具有增强效应,而对冠下游具有抑制作用,增加液膜速度冠的上游高度增加、下游高度减小,内径增加;液膜厚度增加,液膜与壁面的粘性损失减小,吸收冲击动能的能力增强,当无量纲液膜厚度小于1时,冠的上、下游高度均随着液膜厚度的增加而增加,否则相反;当无量纲液膜厚度小于0.5时,冠内径随着液膜厚度的增加而增加,否则反之;随液滴直径和速度的增大,冠的高度和内径均增加。