应用Transition k-kl-ω转捩模型对内冷叶片气热耦合的数值模拟

选取NASA-Mark Ⅱ跨声速叶片为算例,研究了Transition k-kl-ω转捩模型在内冷叶片气热耦合计算中的应用,探讨了整场耦合与冷却通道内采用对流换热系数准则耦合的差异。结果表明,该转捩模型相比其它全湍流模型能够更准确预测附面层内的层流和转捩状况;由于Transition k-kl-ω转捩模型转捩前期采用层流动能来描述扰动的发展,避免了使用含有来流湍流度的经验公式,引入了"分裂机制"来描述层流与湍流脉动间的相互作用,并且在旁路转捩和自然转捩源项模化中加入了Tollmien-Schlichting波的影响,对强激波后的温度计算相比常用的间歇因子转捩模型与实验值更吻合;换热系数准则耦合用于冷却通道传热计算,避免了冷却通道边界条件带来的误差,计算结果与实验吻合较好,更易于工程应用。     

Optimal assimilation for ionospheric weather – Theoretical aspect

Observation, specification and prediction of ionospheric weather are the key scientific pursuits of space physicists, which largely based on an optimal assimilation system. The optimal assimilation system, or commonly called data assimilation system, consists of dynamic process, observation system and optimal estimation procedure. We attempt to give a complete framework in this paper under which the data assimilation procedure carries through. We discuss some crucial issues of data assimilation as follows: modeling a dynamic system for ionospheric weather; state estimation for static or steady system in sense of optimization and likelihood; state and its uncertainty estimation for dynamic process. Meanwhile we also discuss briefly the observability of an observation system; system parameter identification. Some data assimilation procedures existed at present are reviewed in the framework of this paper. As an example, a second order dynamic system is discussed in more detail to illustrate the specific optimal assimilation procedure, ranging from modeling the system, state and its uncertainty calculation, to the quantitatively integration of dynamic law, measurement to significantly reduce the estimation error. The analysis shows that the optimal assimilation model, with mathematical core of optimal estimation, differs from the theoretical, empirical and semi-empirical models in assimilating measured data, being constrained by physical law and being optimized respectively. The data assimilation technique, due to its optimization and integration feature, could obtain better accurate results than those obtained by dynamic process, measurement or their statistical analysis alone. The model based on optimal assimilation meets well with the criterion of the model or algorithm assessment by ‘space weather metrics’. More attention for optimal assimilation procedure creation should be paid to transition matrix finding, which is usually not easy for practical space weather system. High performance computing hardware and software studies should be promoted further so as to meet the requirement of large storage and extensive computation in the optimal estimation. The discussion in this paper is appropriate for the static or steady state or transition process of dynamic system. Many phenomena in space environment are unstable and chaos. So space environment study should include and integrate these two branches of learning. This revised version was published online in August 2006 with corrections to the Cover Date.     

复杂空间载流管道系统流固耦合动力学模型及其验证

 针对飞机复杂管路系统振动分析,提出了一种复杂空间管道系统流固耦合动力学模型,在模型中用梁单元对管道进行了离散,每个节点考虑了x、y、z这3个方向的平动以及绕x、y、z这3个方向的转动,共计6个自由度;在单元中考虑了流固耦合效应,计及了流体流速对管道振动的影响;建立了管道与基础、管道与管道间的弹性连接,以适应多个管道之间的耦合振动分析;模型采用Newmark-β数值积分法获取系统响应。针对实际液压试验台的空间管路系统,利用锤击法进行实验模态分析,将本文模型的仿真结果与实验结果和商用有限元软件ANSYS Workbench的计算结果进行了分析比较,验证了本文模型的正确性。最后,仿真计算了流固耦合作用下流速对管道系统固有频率的影响规律。     

基于Simscape模型的航空发动机系统安全性分析方法

针对航空发动机系统安全性分析中的耦合情况,研究基于Simscape模型的航空发动机耦合故障建模和安全性分析问题。在基于模型的安全性分析(MBSA)故障拓展一般特点的基础上,分析了Simscape环境下进行故障外部拓展和建模语言内部故障拓展两种方式,以建立耦合故障模型。以全权限数字式发动机控制(FADEC)主燃油控制子系统为研究示例,进行独立和耦合故障形式化系统安全性分析。结果表明:航空发动机系统安全分析Simscape模型基于系统设计环境,可直接成为系统设计和安全性分析共同的工具,便于保证设计和安全性分析的一致性;该模型拓展方法和建模语言,从故障数学原理出发,对实际系统不同物理域的组件独立和耦合故障特性具有灵活和定量描述能力;由此拓展的故障模型下的安全性分析具有形式化、直观性和客观性的优势。      

基于半马尔可夫模型的民用航空发动机热端组件系统检查间隔优化

根据采集的民用航空发动机热端组件系统检修信息和专家对系统退化状态的判别，在系统状态退化过程为离散半马尔可夫链过程的假设前提下，分别建立了基于专家估计数据、基于检查数据以及基于融合数据的各宏观退化状态驻留时间估计模型，并应用最大似然函数法和MCMC（Markov chain Monte Carlo）法对模型参数进行估计，得到基于不同数据源的各宏观退化状态下驻留时间估计值和状态转移系数，并以一定使用周期内的检修费用最优为目标建立状态转移概率模型，仿真得到3个典型宏观退化状态下的最优检查间隔分别为1750、350、70循环。该仿真结果与目前的民航运行生产工程实际情况非常接近，可以为民航运输企业的检修决策提供客户化的决策支持并提高经济效益。      

STUDY ON ACTIVE CONTROL FOR A FLEXIBLE BEAM UNDER THE CONDITION OF ZERO GRAVITY

The structure/controlling coupling system is akind of dynamic feedback system in which the me-chanical load and the actuator/controller interact.Because of the influence of inertia,while the com-mon elastic structure is in rigid motion ( or largemotion) ,there inevitably exists a kind of elastic vi-bration ( or small motion) superimposed on thelarge motion.This is the phenomenon of rigid- e-lastic coupling of the motion of an elastic body.Consequently,to study the problem of the motionstabilit…     

基于B样条模型的参数化卡尔曼滤波器设计

以标准B样条函数为基础,建立了以位置、样条系数为状态变量的参数化卡尔曼滤波器,用于解决外测数据的实时滤波问题。按照时间更新跨节点与否,分2种情况给出了状态转移方程。在时间更新跨样条节点时,使用样条函数的一阶连续导数条件,估计新增样条节点系数,由此实现滤波器在跨节点处的平滑过渡。通过仿真数据对新方法进行验证,并与已有的2类典型滤波方法进行比较,结果表明,本方法的滤波精度与另一类直接基于弹道信号表示的样条递推滤波方法精度相当,且可表现出更优的收敛性。新方法具有样条参数化模型的相同优点,可对时域信号全时段建模,可利用先验信息设计弹道优选节点而实现滤波性能优化,缺点在于状态更新的策略较为复杂。     

Reliability evaluation of PMS considering coupling effect of functional and physical dependency

Aviation and aerospace system are typical Phased-Mission Systems(PMSs) featured with varying configuration, phased load condition and cross phase failure correlation. The coupling effect of Functional Dependency(FDEP) and Physical Dependency(PDEP) has a unique influence on the failure behavior of PMS. In this article, the coupling effect is analyzed, and the degradation of components is modeled with the positive drift wiener process, in which the drift coefficient is related to environmental con...     

烟火点火器多物理场耦合仿真分析

电火工品在复杂电磁环境下的物理状态变化一般都包含了电磁 -热耦合过程,采用单一物理场建模仿真的方法很难得到准确的结果。因此,采用 ANSYS Workbench仿真平台,建立了烟火点火器的多物理场耦合仿真分析模型。首先,建立了烟火点火器的 HFSS仿真模型,得到了桥丝上的功率损耗;然后,将桥丝的损耗功率输入稳态热分析模型作为激励条件,并通过稳态热仿真分析得到了桥丝上的温度分布。仿真结果表明,该方法物理过程清晰,仿真结果准确可靠。     

太阳能无人机能源系统的多维耦合建模

针对太阳能无人机能源系统建模的耦合性考虑不足、能量流动过程描述不全面等问题,将外部大气环境、无人机的姿态角度等不同维度下影响能源系统运行的多个因素纳入到建模过程中,先后给出了非均质大气环境模型、无人机运动模型、电机模型、减速器模型、螺旋桨模型、光伏电池模型和蓄电池模型的建立过程,并建立了各模型间的耦合关系,得到反映非均质大气环境下、动态飞行行为的太阳能无人机中能量流动的耦合模型。仿真结果表明：该模型可以完整的描述外部大气环境和无人机飞行姿态对无人机发电功率以及动力负荷功率的影响等耦合作用,适合用于仿真分析和地面半实物仿真平台的搭建。     

民用飞机液压系统建模与负载流量需求计算的研究

飞机液压系统的一个重要设计指标是能够满足全飞行剖面场景下的负载流量需求。介绍了一种用于飞机液压系统负载流量需求分析的数字仿真分析方法,通过开发数学模型构建了液压能源子系统和液压用户的负载子系统模型,进而仿真分析典型飞行剖面下液压系统的负载流量需求,模拟了飞机液压系统的动态工作过程,能够反映飞机液压系统与液压用户负载之间的耦合动态特性。仿真结果表明,这套模型满足液压系统分析需求,可用于液压系统的设计支持工作。     

舰尾流环境中载机纵向QFT/TECS控制系统设计

为了消除舰尾流对载机着舰过程产生的影响,同时完成低动压状态下飞行速度与高度的解耦工作,基于定量反馈理论/总能量控制理论(QFT/TECS)设计了纵向着舰控制系统。针对着舰过程中数学模型所具有的不确定因素及舰尾流对下滑航迹的影响,以载机高度变化率为控制对象,使用定量反馈理论结合推力补偿系统进行了内回路鲁棒控制律设计。外回路控制律设计是以总能量控制理论为基础,通过粒子群优化算法对待调控制参数进行寻优,进而实现了对高度、速度等参数的精确控制,完成了载机纵向着舰轨迹与速度的解耦工作。仿真结果表明,该控制律在拥有较强的鲁棒性的基础上具有良好的解耦控制能力,实现了载机着舰段的高度与速度的解耦控制,明显提高了载机对着舰轨迹的跟踪能力,可满足不确定条件下载机的着舰要求。     

燃料电池无人机能源管理与飞行状态耦合

开展了燃料电池/锂电池（简称燃锂）混合动力无人机的能源管理与飞行状态耦合研究。综合顶层飞行任务规划与底层能源系统管理，以动力系统模型为耦合点联立能源系统与无人机运动方程，建立能源状态与运动状态耦合模型。针对燃锂混合最紧密的爬升过程，以迎角、转速和燃料电池的放电功率作为控制变量，建立了燃料消耗最小的能源管理与航迹规划耦合最优控制问题，研究不同爬升高度对最优控制过程的影响，并与模糊控制能源管理策略进行对比分析。针对大功率短时爬升和小功率长时巡航的典型任务特点，建立了燃锂最优混合问题。研究了最优的锂电池容量和燃料电池功率水平的混合量，以及爬升和巡航两阶段最优功率分配和飞行状态，分析了不同巡航目标高度对最优混合量和飞行状态的影响。结果表明：采用能源与航迹耦合的最优控制策略在给出最优功率流分配的同时，能够很好地兼顾飞行状态控制；对燃锂混合和飞行状态的综合优化可以有效地处理爬升和巡航阶段的能源需求矛盾，在给出最优燃锂混合量和飞行状态的同时，降低整个任务过程的燃料消耗。     

气流激励下叶片动力响应分析方法

利用在物理过程上的耦合代替数学方程上的耦合,完善了双向顺序耦合求解的理论,进一步给出了双向顺序耦合的数值求解方法,并描述了其在物理上对应的过渡过程.结合具体工程算例,分析得到某小型发动机二级静叶在气流激励下的流场分布形式和叶片动力响应的特点,指出了双向顺序耦合数值求解方法的优越性.      

口径耦合微带天线互耦时域有限差分法分析

在阵列天线中,互耦是阵列性能下降的一个重要因素,对互耦进行正确的评估、计算,有助于深入了解阵列特性并指导设计工作.采用时域有限差分法计算了口径耦合微带天线互耦系数,天线建模中引入非均匀网格和电阻性电压源,微带线与馈源用阶梯过渡来连接,在保证计算精度的前提下,计算空间和计算机时间大大减少,计算结果与矩量法及测量结果基本一致.     

基于TTP协议的飞机配电系统通信仿真研究

针对飞机配电系统典型单元,建立基于时间触发的四节点控制与通信模型;实现系统典型节点的信号交互,并进行实时控制与仿真分析。以供电系统处理机(PSP)、发电机控制器和汇流条控制器的组合(GCUs+BPCU),某个负载管理中心(ELMC)、以及多个固态功率控制器(SSPCs)为四个典型节点,在研究模型节点内部控制与逻辑关系、建立消息时刻表的基础上,仿真了配电系统在双发、单发、应急情况下,汇流条和负载的自动管理。仿真结果表明,信号严格按照确定的消息时刻表传送,通信具有较高的实时性和可靠性。研究结果为时间触发协议在航空器领域的应用提供了参考。     

直升机热管理与红外辐射特性耦合分析方法

未来高性能直升机面临提高能量利用率和抑制红外辐射特性的重大挑战,迫切需要协同解决这两个问题,需要从整机层面探究热管理和红外辐射特性耦合机制,建立耦合分析方法。直升机红外辐射特性不仅受到旋翼下洗流场、前飞流场和环境等外部因素的影响,还受到各子系统部件的工作状态、机身表面的散热口布置和红外抑制器的设计等热管理优化方法的影响。因此,直升机热管理问题和红外抑制问题是强相互耦合,必须统筹考虑。从直升机整机系统的结构特点、系统工作原理和能量平衡关系出发,基于热/质流产生、收集传输、储存利用和传热关系,分析直升机整机系统框架和传热平衡关系,建立以系统部件为内部边界条件、外环境为外部边界条件的整机耦合传热模型;通过对内外部热量的统筹调控与管理,提出热管理优化方法,实现既保障各系统安全高效工作、又提高整机能量利用率,优化红外辐射性能的目的。该模型和方法能为直升机综合热管理的方案设计和红外抑制方法提供支撑。     

航空发动机滑油通风系统性能计算仿真

采用自主研发的航空发动机滑油通风系统性能分析软件,对某型发动机通风流路进行了数值仿真。数值仿真以流动换热的网络算法为基础,经过结构分析,构建了通风流路仿真元件与节点组成的网络仿真模型。在给定实验条件下,数值仿真了稳态情况下通风流路腔室节点的压力,各密封装置泄漏量的分配。最终的仿真结果与实验参考值的误差在l％以内,验证了数值仿真方案的精度。     

机载蒸发循环系统动态仿真

从部件的数学模型出发,根据闭环系统各部件的耦合关系,建立了机载蒸发循环系统的动态数学模型。对充注R142b的机载蒸发循环系统进行了动态仿真,仿真数据与试验数据基本吻合,仿真方法可靠,可以作为机载蒸发循环系统优化及系统控制的依据。     

同轴形微波等离子推力器数值计算

介绍了100W功率同轴形微波等离子推力器(MPT)的系统结构、谐振模式,采用耦合求解Maxwell方程、Saha方程和Navier-Stokes方程的方法,对100W同轴形MPT振腔内的电磁场、等离子体与流场间的耦合问题进行了数值计算并预估了原理实验样机的性能。计算结果表明,100W同轴形MPT结构系统的原理可行,性能较好,有较好的发展前景。