多自由度强非线性柔性转子—挤压油膜阻尼器系统的分叉与混沌响应

 对航空发动机常用的柔性转子—非同心型挤压油膜阻尼器系统的受迫不平衡响应的分叉与混沌行为进行了研究,所研究的系统是8 自由度16 阶的强非线性系统。通过分析系统响应的轨迹图、分叉图和Poincare 图发现:系统响应中存在多种周期(协调、亚谐和超谐) 和非周期(拟周期和混沌) 响应形式。在整个转速比区间内,周期响应和非周期响应是交错分布的。该系统有拟周期分叉和倍周期分叉等分叉形式。系统响应进入混沌的道路主要有:周期倍化分叉进入混沌;拟周期分叉进入混沌和阵发性进入混沌。而系统退出混沌的道路主要有:周期倍化分叉退出混沌和拟周期分叉退出混沌。     

内置圆球阵列的Rayleigh-Bénard热对流传热特性

通过实验研究了内置圆球对Rayleigh-Bénard(RB)湍流热对流系统传热特性的影响.在对流槽内部加入有机玻璃圆球,通过改变圆球的直径和分布方式研究不同孔隙度φ对RB系统传热的影响.Rayleigh数(Ra)从5×107变化到2×109,Prandtl数(Pr)固定为5.5.结果表明,当Ra较小时,填充圆球对RB...     

磁悬浮控制系统混沌预测

 根据谐波平衡原理,理论上对非线性磁悬浮控制系统的倍周期分叉及混沌行为进行了分析,给出了系统产生倍周期分叉的近似条件,确定了系统混沌存在近似的位置,这为保证此系统实现稳定控制及优化控制器设计提出了一种有利的理论依据。     

大瑞利数下二维Benard对流演化过程的DSMC仿真研究

利用DSMC（Direct Simulation Monte Carlo）方法研究了大Rayleigh（瑞利）数条件下稀薄气体的二维Benard对流的特性。考察了流动的非定常演化过程及若干流动特征量随时间的变化特征，得到了与实验较为一致的结论。计算结果表明，当流动控制参数不断增大时，二维Berard对流从热传导状态过渡到热对流状态表现出明显的非定常演化特征。最后当瑞利数增大到一定程度后，注动显示出混沌的特性。     

电压变化时Boost PFC变换器的混沌和分叉现象

利用小信号模型对开关电源控制器进行设计过程中常出现混沌分叉等不稳定现象。以工程设计的角度,建立了平均电流型BoostPFC的精确电路模型,分析了系统中存在的非线性现象,结合非线性分叉和混沌理论对这类非线性现象进行了详细的分析和推导。     

转子—非圆轴承系统非线性动力学行为的研究

非线性油膜力数据库方法获得非圆滑动轴承的非线性油膜力,利用 Runge-Kutta法、Poincaré映射和频谱图对刚性 Jeffcott转子—椭圆轴承系统在较宽参数范围内的分叉和非线性动力学行为进行研究。得到了系统在某些参数域的分叉图、时间历程、频谱图、相图、Poincaré映射图。研究结果表明:在特定参数范围内系统存在倍周期分叉、Hopf分叉、解的跳跃、K-T周期解、概周期运动和混沌运动等非线性动力学行为。      

航空刹车机轮自然对流的数值模拟

采用商业软件Fluent对简化的航空机轮内部腔体的自然对流进行数值模拟,得到了中间环形狭缝瑞利数在106～1011范围下腔体内部的流动换热规律。对腔体内部的复杂的流动和换热进行分析,获得了机轮内部腔体关键部位的流动特征,并拟合出了刹车盘面与轮毂间对流换热的关联式。当环缝内瑞利数达到108,流动进入湍流状态。同时将数值模拟的结果与有关文献做了对比,证明了本文计算方法的正确性。     

瑞利-伯纳德热湍流中的多湍流态现象

热湍流现象是自然界以及生产生活中很普遍的现象，它源于温差导致的密度差引起的自然对流。瑞利-伯纳德（Rayleigh-Bénard,RB）热湍流系统是从众多自然现象、工程实际中抽象出来的研究热湍流的经典流体力学模型系统。在过去的几十年间，瑞利-伯纳德热湍流系统被广泛用来研究湍流热输运、流动结构演化等特性。最近的研究发现即使在相同的控制参数下，RB热湍流系统中的大尺度流动存在不同的湍流态（结构），且不同的湍流态对应着不同的热输运效率。因此，理解不同的湍流态（结构）的产生机制有助于调控系统的热输运效率。本文就RB热湍流系统中的多湍流态现象,着重评述近年来的若干研究新进展,并对今后的研究工作进行展望。     

螺旋锥齿轮振动研齿系统的拍击响应

建立了位移激励下的螺旋锥齿轮振动研齿系统的扭转振动模型,推导出考虑摩擦的轮齿斜碰撞前后状态间的局部映射关系式,得到了螺旋锥齿轮振动研齿系统的Lyapunov指数计算方法.通过算例,运用相图、Poincaré映射图、Lyapunov指数和系统分叉图,分析了研齿系统随激励参数变化的动态响应,结果表明,随激励幅值的增大,研齿系统由单边碰撞状态经倍周期分叉进入混沌,并在混沌状态中有周期窗口的出现.继续增大激励幅值,系统进入了双边碰撞状态.      

滚动轴承非线性轴承力及其对轴承系统振动特性的影响

滚动轴承在旋转机械中应用及其广泛,其振动特性对旋转机械的正常运行有很大影响。本文基于赫兹弹性接触理论和滚动轴承运动学,推导了滚动轴承在工作状态下产生的非线性轴承力,并在此基础上对滚动轴承系统的振动特性进行了分析。研究结果表明:滚动轴承的非线性轴承力会诱发变刚度振动。系统响应中存在多种周期(谐波、次谐波和超谐波)和非周期(拟周期和混沌)响应。通过频谱图、Po incaré图和分叉图,分析了滚动轴承系统在不同参数下的周期分叉特性。当非线性轴承力和不平衡力共同作用时,滚动轴承系统会产生组合振动,随着不平衡力的增大变刚度振动所对应频率的幅值逐渐降低。      

时间序列关联维数在非线性系统运动性态识别中的应用

 在非线性动力系统维数较高、数学模型难以建立时, 利用时间序列分维数对系统的动力学性质进行了研究。通过对一经典非线性方程的分析, 得出利用随参数变化的时间序列分维数图, 可以很好地识别非线性系统从确定性状态到分叉或浑沌状态的临界参数点或区域。最后将此方法应用于一单盘Jeffcott 转子模型的分叉参数点识别及一转子运动状态识别, 得到了比较满意的结果。     

离心压缩机叶轮旋转失速的相空间重构及分形特征

结合非线性动力学中的相空间重构和分形理论,提出了一种分析离心压缩机叶轮旋转失速动力学特征的方法.采用数值方法对低速离心压缩机(LSCC)叶轮旋转失速状态进行了模拟,得到了失速工况下叶轮出口多个位置的气流压力时间序列.对各压力时间序列进行相空间重构,构造出一低维动力系统,其时间延迟和嵌入维数通过运用C-C方法得出.对重构的动力系统的相图进行了分形特征分析,计算了相应的分形维数.研究表明:叶轮旋转失速后系统的压力信号具有混沌特性,在相图上表现为具有分形结构,揭示了旋转失速后系统的动力学特征.计算分析分形维数后发现,数据采集点位于相同半径处计算得到的分形维数相近,约为3.39;数据采集点的半径增大时,分形维数减小.     

应用于超级电容储能系统的双向DC/DC变换器混沌控制方法研究

超级电容储能系统(SCESS)主要通过对双向DC/DC变换器进行控制来快速平抑直流母线电压的波动。为了抑制控制过程中所产生的一些分岔和混沌现象,提出了一种应用于SCESS的混沌控制方法。分析了该方法的控制原理,并根据非线性动力学理论建立了双向DC/DC变换器的离散迭代模型；然后设计了一种能够自动调节补偿斜率的混沌控制信号；最后对该信号作用下的异步切换函数和同步切换映射式进行了数值求解,从而绘出系统分叉图。通过仿真和试验证明,该方法能够有效抑制SCESS的分岔和混沌现象,提高了系统的稳定工作范围和动态响应速度。     

盐指型双扩散湍流二维直接数值模拟研究

针对海洋相关盐指型双扩散湍流开展了二维直接数值模拟研究，特别关注了四种不同物性参数组合情况下，传输特性和流动结构随瑞利数和密度比的变化趋势。结果表明：温度努塞尔特数、盐度努塞尔特数和流动雷诺数随瑞利数的整体变化规律受密度比的影响较小，但其具体数值随密度比的增加而减小；密度比的影响幅度随着组分扩散率比值，即刘易斯数的增大而减小；相关变化规律可由幂律模型描述，且基于数值模拟结果本文确定了四种物性参数组合所对应的幂律指数。对于大多数算例，流动主导结构为盐指。对具有小刘易斯数和大瑞利数的数个算例，主导结构变为类对流涡结构。对所有物性参数组合，盐指水平宽度随瑞利数变化趋势与线性稳定性分析给出的结果类似。这些结果对理解海洋盐指双扩散湍流、以及实验和模拟结果应用于真实海洋流动等方面有重要的意义。     

基于VOF方法的大水滴袋状破碎的仿真研究

为研究大水滴(d50μm)运动和袋状破碎的复杂特性,以便于进一步研究大水滴破碎在飞机结冰方面独特的危害性,本文应用VOF(Volume of Fluid)方法对不同韦伯数(Weber number,We数)下的水滴进行数值模拟,观察到了水滴的典型袋状破碎形态,并将袋状破碎划分为五个特征阶段。本文还应用瑞利-泰勒不稳定性(Rayleigh-Taylor Instability,R-T不稳定性)和瑞利-普拉特不稳定性(Rayleigh-Plateau Instability,R-P不稳定性)解释破碎的形态特征。此外,本文统计了水滴的迎风直径、破碎时间和沿程的阻力系数,并与实验数据和本课题组创立的BTB(Bag Type Breakup)理论模型加以对比,验证了破碎时间与形变量、阻力系数的无量纲关系,即形变量在初期与时间呈线性关系,后期为二次函数关系;而破碎时间随着We数增长逐渐减小,水滴阻力系数随形变先迅速增大后减小。本文所用方法可用于进一步的液滴破碎机理研究。     

侧壁效应对Rayleigh-Bénard对流影响的数值模拟研究

Rayleigh-Bénard(RB)对流的研究中通常使用侧壁绝热的温度边界条件,然而实际的对流换热设备中侧壁存在导热性且会对系统传热和流动特性产生影响。为探究侧壁导热性对RB对流的影响,本文采用侧壁等温假设,即侧壁温度为上下壁面温度的平均值,使用二维和三维直接数值模拟的方法研究了侧壁恒温的RB对流。流体工质为普朗特数Pr=5.3的水,二维和三维方腔宽高比Γ为1。将侧壁等温的计算结果与经典的侧壁绝热的RB对流结果进行比较,研究表明：侧壁等温时,二维和三维系统中均存在上下壁面Nu不相等的情形,该特性发生在有限的Ra值区间内,且与系统内的流动结构密切相关;侧壁恒温时,系统的传热效率要高于侧壁绝热情况下的传热效率,这是由于侧壁恒温条件下,一部分热量可以直接通过侧壁来传递,从而绕开温度边界层。当采用恒温边界条件时,流场的强度减弱,从而系统的Re要小于侧壁绝热条件下对应的Re。     

气体润滑轴承-转子系统非线性动力学特征的实验

对高速气体润滑轴承转子系统进行了稳定性试验研究.通过轴心轨迹、频率耦合三维图、频谱和分叉图,分析了系统非线性行为特征.实验证明气体润滑轴承-转子系统中的气膜涡动是系统非线性失稳的主要原因,气膜涡动导致的倍周期分叉是系统进入混沌振动的必由途径.通过调整系统固有频率和气膜润滑涡动频率之间的耦合关系,使得失稳转速远离设计转速;以及利用试验中所证实的混沌"有界"性质,有效的控制振幅,将是提高转子-轴承系统非线性稳定性的新途径.      

转子-滚动轴承-机匣耦合系统的不平衡-碰摩耦合故障非线性动力学响应分析

建立了含转子不平衡-碰摩耦合故障的转子-滚动轴承-机匣耦合动力学模型.在模型中,充分考虑了转子系统的不平衡和碰摩故障的耦合.对滚动轴承模型,充分考虑了轴承间隙、滚珠与滚道的非线性赫兹接触以及由滚动轴承支撑刚度变化而产生的VC(Varying compliance)振动.运用数值积分方法获取了系统响应,研究了系统的分叉与混沌运动,分析了旋转速度、碰摩刚度、转子偏心量,轴承座-机匣刚度以及机匣-基础刚度对系统响应的影响,得到了在转子不平衡和碰摩故障耦合下的转子-滚动轴承-机匣耦合系统动力响应规律.      

基础横向激励下含集中质量悬臂梁的动力学行为

首先采用Lagrange方法,建立了基础横向激励下的含端部集中质量悬臂梁系统的动力学方程,利用多尺度法进行一次近似展开求解,分析了它的主共振和1/3次亚谐共振;然后以该系统来模拟运载系统内部部件与外壳的碰撞过程,用数值方法详细分析其在具有两侧刚性约束边界条件下的碰撞动力学行为.研究结果表明,在无约束边界条件下,系统可以简化为具有外激励的刚度硬化的Duffing系统,因此具有与Duffing系统同样的性质.具有约束时系统的稳态运动在很宽的激励条件和边界条件下是混沌的;在某些激励和边界参数区间,存在周期运动,以及随参数的变化,从周期运动经历多次倍周期分叉直至混沌的演化过程及逆过程.     

转静件碰摩模型及不对中转子局部碰摩的混沌特性

本文从经典碰撞理论出发,建立了一种应用广泛的碰摩模型,分析了两种特殊情况,并给出了适合航空发动机转子系统的碰摩模型。建立了考虑静子本身刚度的不对中质量偏心转子碰摩的动力学方程,并进行数值计算、分析。分析表明,系统除了具有各种形式的周期运动、拟周期运动外,还具有丰富的混沌运动与分叉现象。