推进飞行器低温推进剂在轨贮存被动蒸发控制方案研究

在对低温推进剂在轨贮存技术简要概述的基础上,针对推进飞行器的2种构型,提出了3种低温推进剂在轨贮存被动蒸发控制方案,建立了技术方案中复合绝热结构和蒸汽冷却屏的传热分析模型,对不同轨道、不同构型和多个蒸发控制方案的低温贮箱漏热量和蒸发量进行了计算和分析。结果表明,绝热结构隔热性能为0.05 W/(m2·K)时,被动蒸发控制方案可控制液氢贮箱蒸发率为0.4%~1.1%/天;近地轨道低温贮箱的蒸发量明显大于地月转移轨道的蒸发量;蒸汽冷却屏可以明显减小低温贮箱的漏热;随着绝热结构隔热性能的增加,低温贮箱的漏热量减小。     

低温推进剂贮箱压力变化的CFD仿真

为预示低温推进剂贮箱在地面停放阶段的压力变化并研究贮箱内物理过程的相互作用关系,建立了包含液体推进剂和混合气体两相的二维轴对称volume of fluid(VOF)计算流体力学(CFD)模型,并引入了基于热力学平衡假设的推进剂相变模型.对实验液氢贮箱进行仿真得到的压力上升速率与实验结果相差9.1%.通过对地面加压停放阶段下的液氢和液氧贮箱的仿真发现:造成液氢贮箱压力上升的主要因素是壁面漏热对气枕的加热作用,而液氢蒸发影响更小,液氧贮箱在加压停放阶段初期明显受到液氧相变的影响.两个贮箱中液面附近的对流运动在不同的气液传热过程作用下有不同的变化趋势,对流运动会影响推进剂的相变进而影响贮箱的压力变化.      

新型多层绝热材料组合包覆工艺及其绝热性能

在深空探测过程中,利用多层隔热材料是降低低温推进剂蒸发量的主要隔热方式。但多层绝热材料其结构较为复杂,加工、安装和使用条件都非常特殊,决定了其在深空探测应用中具有一定的难度。本文首先从工艺特性的角度,通过与常规包覆方法进行对比,对多层绝热材料在贮箱表面的组装工艺进行探究,采用尼龙搭扣带、胶钉枪开发了一套效能高、经济性好的新型固定方法,通过高真空测试平台对该多层绝热包覆工艺进行测试并分析其绝热效应的影响。结果表明:使用该包覆工艺成型的多层绝热组件当量热导率可以达到1. 1 mW/(m·K),且具有较小的漏热量,系统稳定性好。     

氦气鼓泡法获取液氢过冷度的传热传质研究

为了更好地理解氦气鼓泡获取液氢过冷度的冷却行为,优化设计冷却系统,基于集总参数法,建立了氦气鼓泡冷却系统的热力学模型,考虑了气泡界面能和压力对系统冷却效果的影响,分析了氦气注入液氢内时瞬时传热传质过程,讨论了各个影响因素。与液氢试验数据对比,热力学模型的计算值与实验值吻合良好,表明该模型可精确预测氦气鼓泡冷却液氢的热力学过程。研究了相关因素对过冷度的影响,结果表明:采用氦气鼓泡方法可将液氢过冷至三相点处;在额定工况下,氦气消耗量基本上是液氢消耗量的7倍;增加氦气鼓泡速率、降低氦气鼓泡温度、减少环境热侵、减小贮箱气枕压力,均可有效改善液氢过冷度。     

基于空气绝热的飞机空气导管绝热设计

在分析现有飞机泄漏探测系统性能的基础上,提出了一种基于多层绝热的飞机空气导管泄漏探测结构.推导了该种多层绝热的工程计算方法,并对不同管径的导管进行了绝热层设计计算.其次,为了验证该计算方法的准确性,搭建了高温压力管道空气绝热试验平台,获得了不同温度下空气绝热层的外表面温度.同时,采用数值分析方法进一步考察了导流洞数量及导流洞直径对绝热设计计算的影响.最后,根据导流洞对绝热设计的影响进行了结构优化.研究结果表明:该结构与传统的泄漏探测系统相比具有对泄漏的高温气流具有快速导流作用,保证泄漏探测系统能及时探测到泄漏信号并作出报警响应;绝热层外表面温度的计算值比试验值偏大,最大误差为23.08%.随着导流洞孔径和个数的增加,绝热层外表面的平均温度减少,并且导流洞个数的增加对绝热层外表面温度的影响较大.该研究结果为飞机空气导管的国产化提供参考依据.      

轴流压气机吞水后的性能变化研究

为了探究航空发动机吸入雨水后压缩系统的特性变化,针对水滴进入压气机后的湿压缩过程展开研究。基于两相流动的基本原理构建了气液两相的传热传质模型和颗粒运动模型,采用一维逐级叠加的方法计算压气机各级性能,并利用Fortran程序对吞雨后压气机整体性能进行了计算。计算结果表明当吞雨量从3%增加到15%时,压气机压比的下降幅度分别由5.7%增加至15.7%;压气机各级温比的变化特性揭示了液滴在压气机前面级蒸发小、后面级蒸发大的规律;通过对比干、湿压缩条件下的压气机整体特性,可得出吞雨后压气机稳定工作范围变窄的结论。     

单边膨胀喷管红外辐射特性的数值模拟

 通过计算流体力学/红外辐射(CFD/IR) 数值模拟的方法,研究了单边膨胀喷管(SERN)膨胀边开缝、膨胀边倾斜角度和喷管收敛通道面积比这3个结构参数对单边膨胀喷管气动性能和红外辐射特性的影响规律。模拟结果表明：单膨胀边上开缝后,红外辐射强度有较为显著的下降,气动性能也得到改善;其中, xOz 坐标平面尾焰红外辐射强度峰值下降26.4%, yOz 坐标平面尾焰红外辐射强度峰值下降25.2%,单膨胀边壁面平均温度从643 K下降到335 K左右;单膨胀边倾斜角度增大,使得喷管推力矢量角增大,轴向推力系数减小,对高温内壁面和喷管尾焰的遮挡效果减弱;收敛通道面积比的增大使喷管红外辐射强度降低的同时,也使喷管的推力相应减小。     

焊缝补强方式对大直径贮箱箱底承载性能影响

基于有限元法研究了典型10 m级直径贮箱箱底焊缝在双面对称补强、内表面补强及外表面补强三种情况下的内压承载性能。数值计算采用二维对称平面模型,考虑了筒段和短壳真实边界条件及焊缝对承载能力的影响,构建的考虑材料塑性的非线性数值分析模型准确地获得了贮箱箱底内外表面经向应力。结果表明:顶盖和瓜瓣焊缝区域是箱底的薄弱位置,使用内压下,双面对称补强的加强区内外表面经向应力差较小,结构均未进入塑性,单面补强的加强区内外表面经向应力差远大于双面对称补强,局部进入塑性,且外表面补强的加强区最大和最小经向应力差相对于内表面补强分别增加了9.7%和27.2%,变形不协调；设计内压下,箱底内外表面均有局部进入塑性,材料塑性对内外表面经向应力差有一定的缓解作用,能够显著缓解内外表面应力差造成的附加弯矩；双面对称补强优于内表面补强,内表面补强优于外表面补强,单面补强易产生附加弯矩,不利于箱底的均匀承载和变形协调。该研究结果指导了大直径贮箱箱底结构的优化设计。     

轴流压气机叶尖片削全工况特性分析

以ROTOR3转子为例,采用数值模拟方法对叶尖压力面片削深度(沿叶片切向)及高度(沿叶片展高方向)进行参数化研究.计算得到60%,80%,90%及100%设计转速工况下的全工况特性曲线,并对100%设计转速工况作了详细的内部流场分析.包括原型在内10种模型计算结果表明:在0～50%片削深度和82%～100%展高内片削使ROTOR3转子堵塞流量、总压比、绝热效率略有提高,失速裕度略有下降,但影响并不十分显著.      

LPP低污染燃烧室两相喷雾燃烧数值研究

提出一种带有多点燃油直接喷射双环预混旋流(TAPS/MLDI)头部的贫油预混预蒸发(LPP)低污染圆筒燃烧室,为了获得该燃烧室两相喷雾燃烧流场与燃烧性能,利用Fluent数值研究三种LPP燃烧室头部方案和四种进口工况.计算结果表明:(1) LPP燃烧室头部冷态流场存在中心回流区、角落回流区和唇口回流区,流场结果与PIV试验结果吻合较好.(2)在头部方案不变的情况下,工况从100％推力下降到7％推力时,出口平均温度逐渐下降,污染物NOx排放相应减少.(3)在进口工况不变时,头部方案B燃烧性能相对最优.(4)热力型NOx的生成速率与燃气温度超过1950K区域的大小和最高燃气温度直接相关,热力型NOx的生成主要分布在火焰锋面附近.     

幂律型流体撞击射流破碎特性直接数值模拟

凝胶推进剂的双股射流撞击雾化广泛应用于液体火箭发动机的燃烧室中,其破碎特征及雾化效果直接影响燃烧效率。为探究雾化特性的发展规律,采用直接数值模拟DNS方法,对射流速度为100m/s的剪切稀化非牛顿液体正交撞击产生的雾化特征、液体表面积、表面波、涡特性以及非牛顿特性开展研究。结果表明,射流下形成的雾化流场迅速扩张形成液膜,液膜两侧边缘破碎成大量的液丝与液滴,核心部分产生撞击波后在气体力的作用下逐步发展为带有凸起和褶皱的不稳定表面波,其撞击波波长最大可达2.46倍射流直径。液体表面积不断增长,但无量纲表面积总体呈现先下降再上升的趋势。气体中的涡量分布则分为有序附着区和无序爆炸区两类,并且涡量主要集中分布于气相区域。此外,射流撞击时产生强剪切使该液体内部的粘性系数下降,最低仅为初始粘性系数的0.3倍。     

基于CFD的某减速器飞溅润滑仿真分析与验证

为评估飞溅润滑减速器的储油结构是否合理,基于计算流体动力学方法,建立了包含机匣、螺旋锥齿轮等构件的某减速器飞溅润滑动态仿真模型,开展了气液两相流飞溅润滑流体仿真计算与分析,获得了减速器内部的滑油运动轨迹及分布云图。通过仿真分析可以发现:输入端油兜收集到的滑油量为531 mL,大于输出端收集到的滑油量65 mL;4号油兜收集到的滑油量为0 mL,结构设计存在不合理之处,并进行了飞溅润滑试验验证。仿真分析结果与试验结果的趋势一致,验证了仿真分析方法的准确性,为飞溅润滑减速器储油结构设计提供了指导。     

降落伞主充气阶段的动态仿真及流场分析

建立了有顶孔的平面圆形降落伞的轴向和径向动量方程,使用数值方法计算出选定的降落伞在主充气过程中各种参数的变化,对降落伞的主充气过程进行了动态仿真.在使用动量方程计算出的的充气模型的基础上,利用降落伞在各个时间结点时的外形和下降速度等相关数据,采用计算流体力学的方法和准定常假设,对降落伞充气过程中的流场进行了模拟和分析,对降落伞充气过程的机理及流场衍变情况进行了探讨.      

基于格子玻尔兹曼方法的旋翼三维气动力学分析

提出运用格子波尔兹曼方法（Lattice Boltzmann Method, LBM）分析微型旋翼 的气动特性。以APC11x47 型螺旋翼为分析对象, 实物的结构信息通过三维激光扫描和 逆向工程的方法输入计算机, 使用基于LBM 的软件计算其不同转速下的螺旋翼产生的 升力,最后得到其升力系数。     

螺桨滑流对全机绕流干扰的数值计算

 数值计算采用面元法。在桨叶及全机面元的控制点上强加 Neumann条件以实现滑流与全机流场的相互耦合。计算中考虑了三维螺桨滑流的收缩及其对流场的影响。最后对运七全机气动力作了计算。结果表明 ,滑流对全机放襟翼状态升力特性有明显影响 ,使全机力矩特性产生较大变化。计算结果与实验值吻合良好。该方法对单发或多发螺桨飞机均适用     

计算气动弹性在飞行器设计中的研究与应用

近年来,计算气动弹性(CAE)开始作为一个正式术语出现于一些研究文献中,用来描述耦合高精度的计算流体动力学(CFD)与计算结构动力学(CSD)分析气动弹性问题的方法。本文阐述了CAE方法的基本概念、计算流程及其耦合方法,着重分析了CAE求解计算需要解决的关键问题,介绍了CAE方法在飞行器设计中研究应用的发展状况,并展望了其未来的发展方向。     

无隔道进气道反设计及附面层排除机理分析

采用"照片三维复原技术"对某型飞机无隔道进气道/前机身进行了几何重构,然后用N-S方程对机身/进气道内外流场进行了数值模拟,得到了进气道内外流场的马赫数分布和鼓包表面的压力分布,分析了无隔道进气道排移附面层的机理。结果表明:该飞机进气道在鼓包顶点有一个起始压缩角,波后为等熵压缩面。研究认为,无隔道进气道的设计机理是在鼓包压缩面上形成一个中间高、两侧低的压力分布,在该压力梯度的作用下来流附面层被推向两侧并被排除。     

叶片数对微型斜流叶轮性能的影响

采用计算流体力学软件NAPA对叶片数不同的跨声微型斜流叶轮流场、性能进行了模拟,研究表明随着叶片数的增加,叶片载荷减小,叶背分离减小,叶片通道内流动改善,但叶片进口低压区域占叶片通道的比例增大,当叶片数增加到一定程度时主叶片不能全程加载.随叶片数的增加叶轮工作特性曲线左移的同时先上移后下移,通过与常规离心压气机最佳叶片数研究结果的对比表明,低雷诺数、微尺度效应及叶片占通道比例大使所研究微型斜流压气机的最佳叶片数略低于已有经验.      

Dirichlet边界条件低阶面无法的改进

对基于内部Ｄｉｒｉｃｈｌｅｔ边界条件的低阶面元法的速度分布提出一个改进算法。由极限过程结合高阶奇异积分的解析计算直接计算物面速度分布取代传统的偶强梯度法,以避免偶极强度边缘外推的困难。改进算法改善了ＶＳＡＥＲＯ分析中诱导阻力系数估值过低的问题。对后掠翼、前掠翼和翼身组合体等算例的计算表明,计算结果的准确度与高阶面元法相近。此外,直接积分法还可正确地计算外部流场速度分布。这是偶强梯度法不能完成的。     

CFD技术发展及其在航空领域中的应用进展

综述了计算流体力学(CFD)技术的近期发展情况,及其在航空领域的应用现状.在CFD技术发展方面,从计算格式、网格方法、湍流模拟3个方面进行了综述,并对未来CFD技术的发展方向进行了展望.在CFD技术的应用方面,重点介绍了飞行器外形优化、旋翼/直升机、非定常绕流、多体分离和进气道等重点应用领域的现状.