Helmholzt振荡腔对光滑圆管换热的强化实验

气流通过Helmholzt振荡腔产生脉动气流.实验固定振荡腔进出口直径和振荡腔直径, 在改变振荡腔腔长的情况下, 在圆管进口Re为22000到82000范围内对等热流加热条件下的圆管换热实验进行了研究.实验将脉动气流所产生的圆管换热效果与定常气流产生的换热效果进行对比.结果表明:气流流经Helmholzt振荡腔后对圆管换热有强化作用, 其强化作用主要集中在沿圆管轴向前10倍直径的长度上, 强化比约为1.1-1.9.随着距离增大换热强化比迅速减小.振荡腔腔长对换热效果有较强的影响.      

超声速物面振动气动力的非线性效应研究

研究了超声速物面振动中气动力非线性的主要来源,分析了影响非线性效应的主要因素。首先建立考虑激波膨胀波的活塞理论,将其计算结果与活塞理论、Euler方程的结果进行对比,明确了活塞理论高阶项所代表的物理意义。同时研究活塞理论在具有单侧气流的壁板振动以及具有双侧气流的物面振动中的应用,分析这两种不同研究对象的气动力非线性效应。探究了振动频率对气动力非线性的影响规律,重新标定了线性活塞理论的应用范围。得出主要结论:(1)超声速物面振动过程中产生的激波膨胀波是气动力非线性的主要来源,壁板模态的对称性加剧了这种非线性效应;(2)在具有双面超声速气流的物面振动中,气动力的非线性效应显著减弱;(3)活塞理论的高阶项的物理意义是激波膨胀波带来的非线性效应,这种非线性效应随振动频率的增长先减弱后加强。     

固体推进剂非线性压强耦合响应特性分析

为获得多阶声模态振荡共同作用下的压强耦合响应函数特性,考虑固体火箭发动机中多阶声模态振荡的非线性燃烧不稳定特点,在线性均质推进剂准稳态分析模型(QSHOD)的基础上,建立了二阶声模态作用下的非线性压强耦合响应模型,并对模型进行了理论分析和定性的实验验证。模型分析结果表明,基频振荡幅值对压强耦合响应函数特性影响较大;随着基频振荡幅值的增大,压强耦合响应函数由线性变为非线性,响应函数从单峰变成双峰,在高频区域形成非线性响应函数峰;在基频振荡的同时,二阶模态振荡使得响应函数的非线性特性更加显著,对非线性响应函数峰值影响较大。该模型结果与典型T型燃烧器实验结果基本相同。     

随活塞同步振动下纳米流体的强化传热特性

内燃机工作过程中,燃烧产生的热能一部分传给燃烧室部件,传给燃烧室部件中的热能有一半以上传给活塞,由于内燃机热负荷不断提高,必须要对活塞进行有效冷却。当活塞功率密度超过0.3kW/cm2时,必须采用冷却油腔进行冷却。为揭示纳米流体在冷却油腔内的流动和传热特性,对不同种类纳米流体在定常和振动状态下直圆管中的物性、摩擦阻力和传热特性进行了实验研究。研究发现：未施加换热腔振动时,在纯净水中添加纳米颗粒后摩擦阻力系数在层流流域内略有上升,湍流范围内几乎没有变化,但是传热效果却大大增强,最优强化在层流-湍流转捩点附近出现且随着纳米体积浓度和导热系数的增大而增大。对换热腔施加随活塞同步振动后,传热强化与振动频率成正比、与雷诺数成反比;用纳米流体代替传统流体后传热效果大大增强,同时还发现纳米流体种类对强化效果影响显著。     

二维活塞航空燃油泵容积效率分析

提出了一种二维活塞燃油泵，该泵利用二维活塞的旋转运动将配流机构集成到活塞上，去除了传统柱塞泵独立的配流机构，简化了泵的结构、提升了泵的功率密度，而且由于主要运动机构采用了滚动轴承支撑，免除了滑动摩擦副及其产生的泄漏，提高了效率。对泵的容积效率进行理论分析和实验研究。结合泵的结构原理分析了造成容积损失的内泄、外泄及油液压缩性等3种主要原因；应用层流和紊流的缝隙流动基本理论推导出泄漏解析表达式，着重分析了不同配流开口形式产生的内泄漏；综合考虑油液压缩性和泄漏获得了容积效率数学模型。理论研究表明采用负开口配流形式可以有效减小内泄漏，定量分析了泄漏流量与负开口量的关系，同时利用Fluent进行配流过程中泵腔内的流场数值模拟，结果表明可以有效减小油液倒灌。为了验证理论分析的有效性，制作二维活塞燃油泵样机，以航空煤油为介质进行台架实验。样机实验结果表明在负载压力2 MPa，转速从1 000 r/min到5 000 r/min，容积效率从93.6%提升到98.1%；当转速为2 000 r/min，负载压力从1 MPa增大到5 MPa，容积效率从97.5%降低到92.3%。以现有的齿轮泵和柱塞泵相比容积效率显著提高，理论与实验的结果偏差在4%以内，表明理论分析的有效性和正确性。     

超临界压力下竖直圆管内正癸烷对流换热不稳定性实验

以超临界压力正癸烷为工质,在内径2mm的竖直圆管内进行了不同工况条件下的流动与换热不稳定性实验研究。实验发现两种原理的不稳定性现象。转捩型是由于流动状态由层流向湍流转变引起,多为随机的小幅震荡,约在Re=5000左右出现;物性型由准临界温度附近剧烈变化物性所致,具有较大振幅和固定周期,约8~15s。增强系统稳定性的方法主要包括提高进口流体温度、升高压力或者采用向下流动方式。实验还发现在振荡区间内存在稳定区间现象。     

三角翼动态气动特性低速实验研究

三角翼快速上仰和正弦振荡非定常气动力的实验研究是在西北工业大学Φ1．5m开口、低速风洞中进行的。60°三角翼迎角从0°到90°的快速上仰实验结果表明，随上仰速率的提高，最大升力系数和失速迎角随之增大。本文还对大振幅正弦振荡三角翼的减缩频率，平均迎角，振幅和俯仰轴位置对机翼瞬态载荷的影响进行了研究。     

非均匀超声来流矩形隔离段内流场实验

针对超燃冲压发动机隔离段的非均匀进口条件设计了隔离段实验风洞，通过测量隔离段壁面压力和拍摄流场纹影照片研究了矩形隔离段内激波/紊流附面层相干流场。研究发现，隔离段进口的非均匀流使隔离段流场压升特征与附面层发展规律与均匀进口的隔离段流动有显著差异。用截面当量直径取代Waltrup公式中的圆管直径可以取得较好的吻合效果。在进口马赫数小于2时，升高同样的压力，非均匀进口隔离段产生的激波串长度比Waltrup公式预测的长度要长。纹影仪观察发现隔离段内激波存在严重的振荡现象。     

改进的VOF方法对气液两相流振荡流动和传热计算的影响

在VOF(volume of fluid)模型的基础上,引入level set函数,形成CLSVOF(coupled level set volume of fluid)模型对气液两相流的振荡流动和传热过程进行数值模拟,与只采用VOF模型模拟的结果进行对比分析,并与实验结果相比较.结果表明:无论是针对矩形空腔中两相流的振荡流动和传热,还是活塞冷却油腔中机油的振荡冷却过程,采用CLSVOF模型都可以更为准确地模拟气液两相流的振荡流动规律,传热系数计算值也与实验结果保持了更高的一致性.对于活塞冷却油腔中机油的振荡冷却计算,随着转速即雷诺数的增大,传热系数计算值的误差开始增大.在极限转速3000r/min时, CLSVOF模型的误差为3.8%,VOF模型的误差为7.5%, CLSVOF模型的误差增幅稳定在0.6%左右.CLSVOF模型的误差较小且误差增幅稳定,说明其计算准确性更高.      

固体推进剂速度耦合响应函数测量实验方法研究

为获得固体推进剂速度耦合响应特性,基于T型燃烧器测量技术,建立了一种测量含铝复合推进剂速度耦合响应函数的实验方法,并在工作压强为6.5MPa和振荡频率约为175Hz条件下,开展了响应特性实验研究。实验结果表明:速度耦合与压强耦合有明显的不同,压强耦合在整个振荡区域内均表现出增益作用,而速度耦合在不同振荡区域内可表现出增益作用,也可以表现出抑制作用;在本文的工况参数条件下,速度耦合响应函数值远大于压强耦合响应函数值。在固体火箭发动机非线性燃烧不稳定中,速度耦合响应是不可忽略的重要影响因素。本文所建立的实验方法能在测量速度耦合响应函数的同时获得压强耦合响应函数,可更好地分析固体推进剂的燃烧响应特性。因此,该方法为分析固体火箭发动机非线性燃烧不稳定问题提供了重要的实验手段。     

Nonlinear resonance gas oscillations in a flat open-ended channel

The resonance gas oscillations in a flat channel are considered; the oscillations are excited by a piston at the inlet and the outlet section is connected with the ambient medium. The boundary condition at the open end is calculated analytically; the dependences of the gas oscillation amplitude on the frequency and geometric parameters of the open end at different values of the frequency parameter are obtained.     

气动谐振管加热过程气体参数的测量与分析

实验研究了圆柱形、圆锥形和锥柱形三种结构形式的气动谐振加热管,采用高温高频压力传感器和灵敏度较高的温度传感器直接测量了谐振管加热过程中谐振腔底气体的压力和温度的时间历程。实验结果确认了谐振管加热的主要机理是激波振荡累积加热机制,而且表明谐振温升与管内气体压力振荡幅值有关,而谐振管压力振荡幅值与驱动气体压力有关;结构形式不同的谐振管,加热特性显著不同。实验结果有助于液体火箭发动机谐振管点火器的实际设计,而且可以用来检验数值模拟的正确性。      

Influence of the open end geometry on resonance oscillations of a gas in a tube

Resonance oscillations of a gas in an open-ended tube of different geometry are investigated. The calculation is made by means of a one-parametric model using the experimental data for a pointed end and flanged ends. The distributions of the absolute values for dimensionless amplitudes of gas velocity and pressure variations along the tube are presented. The theoretical calculations are compared with the experimental results.     

Special features of accelerated aerosol coagulation under subharmonic resonance in an open tube

The results of experimental studies of nonlinear aerosol oscillations in an open tube for a frequency equal to half the fundamental one are presented. The results can be used in designing aircraft engines.     

Nonlinear oscillations of gas in a closed tube under shock-free wave conditions

In this paper, the results of studying peculiarities of longitudinal nonlinear oscillations of homogeneous gas (air) in closed tubes under shock-free wave conditions near the basic natural frequency are presented. At the resonance frequency, a continuous wave of gas pressure in time has the asymmetric form: time of compression is less than that of rarefaction. The resonance frequency being observed has in this case a lesser value than that calculated by the linear theory and coincides with the frequency determined by using the nonlinear theory (with regard to losses). Also shown is an adequate agreement between the theoretically obtained data on swing of gas pressure oscillations and the experimental results.     

热声耦合振荡燃烧的实验研究与分析

热声耦合振荡是在推进系统工作中经常遇到的危害系统工作及安全的现象。它是由非稳定燃烧放热和压力脉动互相耦合产生的系统振荡过程。通过对天然气预混燃烧过程中的热声耦合振荡现象进行了实验研究,分析了不同当量比、热负荷和进出口边界条件下天然气燃烧的动态过程,分析其稳定范围及振荡模态随影响因素的变化规律。结果显示振荡频率随着当量比的减小有所增加,但是没有发生模态变化。在常压条件、接近贫燃熄火极限时,热声耦合振荡现象消失,压力脉动频率跃升至500 Hz或1000 Hz附近的高频。燃烧室出口越接近阻塞条件,燃烧过程的稳定范围越小。同时入口边界位置越接近燃烧段,压力脉动频率越高。热功率变化也会对脉动频率和声压级数值产生影响。另外还采用线性扰动分析方法对天然气燃烧动态过程进行理论分析,进一步研究了不同条件下旋流预混燃烧的热声耦合振荡模态。     

用非线性模型分析气动液阀的启动特性

对气动液阀的启动过程建立了非线性数学模型,分析了尺寸参数和推进剂进、出口压力对该阀的启动特性的影响。计算结果表明：在保证必要的工作寿命的前提下,适当地增大控制腔气孔的直径或增大靠近控制腔的活塞端面直径,降低推进剂进口和出口的压力有利于提高该阀的响应能力。     

无阀式脉冲爆震火箭发动机运行稳定性实验

以无阀模式运行时,脉冲爆震火箭发动机可达到更高的运行频率,但容易出现连续燃烧、点火不成功以及运行频率与点火频率不一致等运行不稳定问题。为探索供给条件对运行稳定性的影响,采用乙烯为燃料、富氧空气为氧化剂,开展了实验研究,分析了氧化剂中氧气体积分数对运行稳定性的影响。结果表明,采用氧气体积分数分别为40%和66%的氧化剂时,当量比范围分别为1.2~1.7和0.8~2.3时才能产生稳定的爆震波;采用氧气体积分数66%的氧化剂时,可获得稳定爆震波的当量比范围较宽;稳定产生爆震波时,爆震管封闭端附近的压力振荡会向供给通道的上游传播,造成通道内介质的流动振荡,振荡频率与运行频率呈倍数关系;爆震波不稳定产生条件下,供给通道内的流动振荡表现为无规律的低频振荡,该振荡加剧了无阀无隔离模式运行的不稳定,故有必要在供给通道内加装压力反传抑制装置。     

Active Aerothermoelastic Control of Hypersonic Double-wedge Lifting Surface

Designing re-entry space vehicles and high-speed aircraft requires special attention to the nonlinear thermoelastic and aerodynamic instability of their structural components. The thermal effects are important since temperature environment brings dramatic influences on the static and dynamic behaviors of flight structures in supersonic/hypersonic regimes and is likely to cause instability, catastrophic failure and oscillations resulting in structural failure due to fatigue. In order to understand the dynamic behaviors of these ＂hot＂ structures, a double-wedge lifting surface with combining freeplay and cubic structural nonlinearities in both plunging and pitching degrees-of-freedom operating in supersonic/hypersonic flight speed regimes has been analyzed. A third order piston theory aerodynamic is used to estimate the applied nonlinear unsteady aerodynamic loads. Also considered is the loss of torsional stiffness that may be incurred by lifting surfaces subject to axial stresses induced by aerodynamic heating. The aerodynamic heating effects are estimated based on the adiabatic wall temperature due to high speed airstreams. As a recently emerging technology, the active aerothermoelastic control is aimed at providing solutions to a large number of problems involving the aeronautical/aerospace flight vehicle structures. To prevent such damaging phenomena from occurring, an application of linear and nonlinear active control methods on both flutter boundary and post-flutter behavior has been fulfilled. In this paper, modeling issues as well as numerical simulation have been presented and pertinent conclusions outlined. It is evidenced that a serious loss of torsional stiffness may induce the dynamic instability; however active control can be used to expand the flutter boundary and convert unstable limit cycle oscillations （LCO） into the stable LCO and/or to shift the transition between these two states toward higher flight Mach numbers.     

具有变截面驱动段及自由开口端的激波管流场计算

本文用随机选取法计算了一个具有变截面驱动段及自由开口端的激波管流场。在自由开口端,考虑了全部可能的出流及入流情况。计算结果表明,这种边界条件处理方法正确地预示了波系在自由开口端的相互作用及反射,与试验结果及BRL的一维流计算结果相比,三者吻合程度令人满意。