潜艇应急燃气吹除过程的理论分析及实验验证

通过对燃气吹除压载水舱过程进行热力学分析,确立了考虑相变产生水蒸气情况下燃气吹除过程的能量方程、质量方程和气体状态方程,推导并建立了压载水舱吹除过程的数理模型.进行了潜艇应急燃气吹除系统的小比例模型原理实验,模拟了水下100m深度时燃气吹除的排水性能与规律以及燃气吹除过程中的主要性能参数变化情况,并对影响吹除效率的各种因素进行了分析.实验结果与所建立的潜艇应急燃气吹除过程数理模型的仿真结果进行了对比验证,结果表明,通过热力学方法建立的用于燃气吹除过程的工程计算数理模型与实际实验情况符合较好,可用于燃气应急吹除系统的设计及优化.     

高温燃气风洞加热特性仿真分析

提出了利用亚音速高温燃气流进行近空间高超飞行器热环境地面模拟的试验方案,在试验装置试验段,通过高温高速的燃气流引射低速的冷气流,达到仅使飞行器头锥驻点附近区域产生局部高温而其余头锥蒙皮表面低温的目的.对某型高超音速飞行器的头锥利用高温燃气进行加热并利用CFD(Computational Fluid Dynamics)方法对13种模拟工况进行了数值仿真分析.将数值模拟计算结果与飞行器在高超音速飞行状态下对应机体部位气动热的理论计算值进行了对比,证实了亚声速高温燃气热环境模拟方法的可行性,为高温燃气地面模拟设备技术方案论证提供了依据.      

轴对称羽流流场数值模拟和实验验证

针对在轨航天器羽流效应对航天器整体寿命的影响,在"DFH"系列卫星姿控发动机喷管羽流实验研究的基础上,建立喷管的轴对称模型,选取矩形计算区域,设定一定的边界条件和计算条件,采用轴对称单组分直接模拟蒙特卡罗(DSMC,Direct Simulation Monte Carlo)方法对相应实验状态的羽流流场进行数值模拟研究.通过对比数值模拟结果和实验测量结果,表明DSMC数值模拟羽流流场的计算结果符合实际流动规律,实验验证了所编制的轴对称DSMC数值模拟程序的正确性和有效性.      

模拟三维重力波传播过程的并行数值模式

从三维大气运动的基本控制方程出发, 基于MPI消息传递接口和区域分解的思想, 建立了模拟三维可压缩大气中重力波传播过程的并行数值模式. 在对垂直方向进行区域分解的基础上, 针对跳点网格的特点, 以垂直速度主格点线为子区域的下边界, 状态变量主格点线为子区域的上边界进行区域分解. 利用MPI消息传递接口来传递计算各子区域中变量时所要用到的相邻子区域上相应变量, 从而顺利地完成对整个计算域的并行计算. 根据线性重力波理论, 通过模拟小振幅重力波的传播过程对所建模式进行了验证. 结果表明, 模式可以很好地模拟小振幅重力波在三维空间中的传播过程, 模拟的重力波振幅随着传播高度的增加以指数形式增长, 对能量传播路径以及有效扰动位能和扰动动能的模拟结果均与理论预测的结果吻合很好. 另外, 随着进程个数的增加, 完成相同的计算量所用的计算时间也显著减少. 这表明本文建立的并行数值模式不但能够很好的模拟重力波的传播过程, 而且能够有效地节约计算时间.      

喷流干扰气动热数值模拟的若干影响因素

工程上对喷流气动热进行近似计算时,常常对真实的全化学反应流近似处理,这时需要了解喷流气体和喷管外形的近似方法对计算结果的影响规律。采用数值试验对比分析的方法,探讨了近似计算的2个影响因素:其一是使用量热完全的空气喷流近似燃气喷流进行数值模拟时,喷管几何形状对热流分布的影响;其二是使用空气喷流近似燃气喷流进行数值模拟的方法,分析不同的喷流热力学参数匹配方法对喷流形态及热流分布的影响。通过对不同方法进行对比计算,揭示了各个方法对喷流干扰气动热计算的影响规律,可以用于指导工程分析。      

选择性激光烧结PC粉末的建模研究

建立选择性激光烧结粉末快速成形工艺过程的数值计算模型,并用于估算烧结深度.在该计算模型中,综合考虑了材料的热物性参数随温度变化的情况和激光光强分布不均匀的因素.采用有限差分方法求解烧结过程中的瞬态传热微分方程,对烧结深度进行模拟计算,结果与实验值吻合较好.     

稳态等离子体推进器羽流场数值模拟

采用二维轴对称模型,使用粒子网格法(PIC)和直接模拟蒙特卡洛法(DSMC)相结合的方法,对稳态等离子体推进器(SPT)羽流场进行了数值模拟.采用DSMC方法中的随机取样频率法(RSF)求解粒子碰撞过程,并对比了不同的分配电荷方式、电子运动模型及SPT出口条件时的羽流场.将不同条件计算得到的羽流场中距SPT出口0.1?m,0.5?m及1.0?m处的离子电流密度和电荷密度与实验结果进行了对比,得出在采用面积权重法分配电荷、等熵模型描述电子运动和用实验值设定发动机出口参数时对SPT羽流场数值模拟的电流密度和轴向附近的电荷密度结果与实验结果符合程度较好的结论.     

富氢/富氧燃气同轴直流喷嘴燃烧过程数值模拟

为研究全流量补燃FFSC(Full Flow Staged Combustion)循环发动机气-气喷注器性能,以气氢/气氧(GH2/GO2)预燃室提供的758K富氢燃气和676K富氧燃气为推进剂对同轴直流喷嘴燃烧流场进行了数值模拟.考察了相同燃烧室结构、流量、入口燃气温度条件下,富氧燃气压降、富氢燃气和富氧燃气的速度比、氧喷嘴厚度和氧喷嘴缩进变化对燃烧性能的影响,获得了4个参数的影响规律.数值模拟结果对燃气气-气喷注器结构设计有参考价值.     

某型无人机全机气动力数值计算

使用三维造型软件和计算流体力学软件对某型无人机进行了气动力数值模拟,得到小迎角范围内的升、阻力系数和力矩系数以及无人机表面的压力、密度和来流速度分布情况,同时,对该无人机进行了气动力的工程经验估算,并将估算结果与数值计算结果进行对比分析.研究表明,数值计算能够较好的模拟小尺度低速流场流动,对无人机的研制能起到重要的作用.计算结果为下一步无人机的气动外形优化设计提供了理论依据和重要参考.     

空间碎片超高速碰撞数值模拟的SPH方法

利用光滑质点动力学SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)方法对Whipple防护结构在空间碎片超高速碰撞下的物理过程进行了数值模拟.在数值模拟中,为了充分发挥SPH方法和有限元方法FEM(Finite Element Method)的优点,利用有限元单元和SPH节点混合建模,将有限元单元和SPH节点(SPH nodes)通过定义接触条件相结合,在大变形和飞溅区域采用SPH节点建模,而小变形区域则采用有限元单元建模,从而大大节省求解时间,提高计算效率.计算结果表明,弹丸在穿透前板后,形成二次碎片,碎片云经膨胀和拉长,对后板造成轻微的损伤,这和文献的相关试验数据是符合的.利用SPH方法对空间碎片的超高速碰撞过程进行数值模拟,不仅很好地预测了Whipple防护结构的破坏情况,而且对整个碰撞过程,包括碎片云的形成、膨胀和拉长过程都有形象的描述,符合超高速碰撞的试验测试结果.     

推进剂管路接头内腔残液在轨吹除过程研究

为研究推进剂在轨加注后残留在管路接头内腔的情况,使用气液两相非稳态模型计算了吹除过程中管路接头内腔气液两相流场变化情况.吹除初始时刻直管路内流场压力出现小幅震荡,管路接头内腔中存在漩涡状流场将残液卷吸入直管路中,是残液得以吹出的主要机理.结果表明管路接头内腔中的绝大部分液体可以被吹除出去,残液吹除效果良好.     

Contraction of magnetized gas to the central gravitator and the production of magnetically accelerated jets

A magnetodynamic model proposed and worked on by Uchida and collaborators for the star formation jets (bipolar flows), by taking a genetic point of view into account, is reviewed. A large scale magnetic field, which is week in the primordial gas but intensified in the gravitational contraction of the gas, assists the continuous accretion of the gas to the central gravitator by extracting angular momentum from the rotating disk, and this process creates a large amplitude torsional Alfven wave that swirls up the gas into the direction of the axis. This torsional Alfven wave, as it propagates, pinches the large scale field into a slender strong field structure which we identify with the collimated jet. The rationale for extending this mechanism to the AGN jet cases is given, and some results of application to the AGN jet case are presented, with interpretation of some characteristic features like the wiggling of the jets, extended radio lobes and the hotspots at the end of the jets.     

纤维素类生物质水热法制备航油前驱物能耗分析

生物质制备航空替代燃料对于全球碳减排和控制温室气体排放发挥十分重要的影响。纤维素类生物质来源广、年产量大成为其作为生物质原料的显著优势。结合目前纤维素类生物质研究的最新成果,深入研究了纤维素类生物质制备航油前驱物（糠醛（FF）、5-羟甲基糠醛（5-HMF）、乙酰丙酸（LA））关键工艺单元的工艺参数和产率,通过Aspen Plus工艺模拟,研究比较了糠醛与乙酰丙酸制备工艺、糠醛与5-羟甲基糠醛制备工艺过程的物质流和能流,得出了不同工艺参数对产率的影响,并进行了能耗分析,为提高平台化合物的产率和降低能耗提供了理论基础。      

超声速横向气流中燃料雾化的数值模拟

对超声速横向气流中燃料雾化过程采用欧拉-拉格朗日方法进行了数值模拟,气相场用欧拉法计算,液相场采用拉格朗日粒子跟踪方法计算,通过方程源项考虑液相对气相的影响.在液相的拉格朗日计算中采用改进的混合雾化模型来研究雾化过程.针对超声速横向气流中雾化的特点,结合雾化机理和实验测量结果,对原有的混合雾化模型进行了改进,并将改进后的计算结果与TAB(Taylor Analogy Breakup)模型和Reitz波模型的计算结果进行了对比.结果表明:改进的混合雾化模型的计算结果与实验测量值符合较好,更适合用于超声速横向气流中燃料雾化的数值模拟.     

气动弹爆破过程性能仿真分析

针对工业界对于安全有效的管道清洁装置的需求,设计了一种利用气动爆破的原理进行管道除垢的设备.该装置采用气动控制,利用压缩空气的瞬时释放产生的射流与冲击波的能量击碎管道内壁的附着物,实现管道除垢.通过分析装置工作的原理及运行过程,给出了重要参数的建模过程.通过仿真分析了气爆过程中压强、剪切力的分布特点以及传播过程,计算了其管道内气流速度场的分布变化,得出了气动弹爆破过程中对壁面产生的冲击主要来源于射流以及冲击波,并且在使用10MPa的工作压强下一次爆破可清理的管道范围超过160m.该设计可以高效的实现管道清污的作用.      

在轨发动机射流的电离层效应

卫星等航天器在轨运行期间,通过喷气实现姿态控制、轨道调整等特定需求.喷气射流与电离层相互作用,能够引起电离层环境改变,对星载设备产生重要影响.通过研究航天器在轨发动机喷气射流在电离层中的动力学及化学反应过程,建立射流的电离层效应物理模型,模拟了不同射流量及高度条件下喷气射流的运动过程、密度分布及电离层扰动效应.仿真结果表明,相同高度下,随着射流量增加,电离层扰动效应逐渐增强;相同射流量条件下,随着高度增加,电离层扰动效应逐渐减弱,扰动区域逐渐扩大.      

流动拓扑对液体射流失稳与雾化的影响

在大推力液体火箭发动机燃烧过程中,推进剂射流失稳与雾化是起始环节,会对后续蒸发与燃烧等过程产生显著影响。尽管前人做过很多研究,但对湍流射流雾化机理的认知还存在盲区。基于此通过流动拓扑理论来揭示湍流液体平面射流的雾化机理。采用直接数值模拟方法对静止空气环境下的液体平面射流雾化过程进行了高分辨率数值模拟,分析了流场中不同拓扑结构与气液界面曲率的相互影响,阐明了流动拓扑对液体平面射流雾化的影响机制。研究发现,所有流动拓扑结构都有助于产生压缩应变率和拉伸应变率,其中不稳定焦点结构(UFC)拓扑结构对流场应变率的影响最大;在流动拓扑结构影响下,液体体积分数等值面的曲率与应变呈现负相关关系。另外,UFC主要产生拉伸应变率,而其余流动拓扑结构主要产生压缩应变率。研究结果表明: 射流雾化过程主要受到UFC拓扑结构的影响,UFC会促进气液界面产生较大的拉伸应变率,进而促进片状或管状结构液体结构生成,从而引起液体射流破碎。      

喷流制冷的高超声速后台阶流场气动光学效应研究

近年来,临近空间的军事应用价值受到了越来越多的关注。为了研究高超声速飞行器典型后台阶结构的气动光学问题,采用研究稀薄气体动力学的直接模拟蒙特卡洛算法(DSMC)研究了临近空间不同喷流控制下的后台阶流动特性,并采用光线追踪方法研究了不同流动控制下流场的气动光学效应。计算结果表明,随着飞行高度增加,壁面热流将增加,同时气动光效应将变弱。在四种喷流冷却方式中,喷流方式A的冷却效果最好,同时没有增加气动光学效应,B、D方式具有一定的冷却效应,但使得气动光学效应更加严重。