宽频高幅值水力激振信号的产生与控制

为了研究火箭发动机全尺寸泵后供应系统的动力学特性,运用脉动压力发生器设计了一种宽频水力激振系统,开展了液流试验和数据分析。结果表明:水力激振系统可以在0~1200Hz的频率范围内,产生时域幅值超过1.5MPa、高信噪比的压力脉动信号,达到了宽频率范围、高激励幅值的目的。通过对电动机转速的控制实现激励频率的可控变化,以满足不同频率激励策略的要求。提高管路系统的入口稳态压力,可以提高激振信号的幅值。通过合适的局部流阻分布,可以在宽频范围内提高水力激振信号的幅值,提高信噪比。      

火箭发动机泵后供应系统水力激振试验

为了研究某型发动机泵后供应系统的动力学特性,对全尺寸的氧泵后供应系统在中、高频范围内开展了水力激振试验。试验数据表明:供应系统的谐振特性被激发起来。在试验条件下,可以清晰地辨识出泵后供应系统的前4阶谐振频率和振型。第1阶谐振频率响应幅值最高,第2阶和第3阶相当,响应幅值次之,第4阶响应幅值再次之。在外界扰动下,该发动机泵后供应系统能够较容易地达到流体谐振状态,当外界扰动频率接近其谐振频率时,供应系统沿程脉动压力出现了明显的共振波形。在不同的谐振频率下,喷前腔位置均为压力振荡的波节位置,也即为流量振荡的波腹位置。      

考虑流固耦合作用的一维供应管路-喷嘴系统动力学特性

为了更加深入地研究供应管路-喷嘴系统的动态特性,在喷嘴动力学理论的基础上,建立了考虑供应管路流固耦合作用的传递矩阵组合计算模型。针对三种典型液体火箭发动机喷嘴与一维供应管路组成的系统,开展了两端固定边界的系统动力学特性数值模拟。结果表明:管路结构谐振与管内流体谐振所导致的喷嘴出口位置流体速度振荡量级相当,管路流固耦合作用对系统动态特性的影响不能忽略;管路结构谐振是造成其固定位置应力的频率响应幅值较高的主要因素;当流体与结构的谐振频率接近时,会产生一个大带宽、高幅值的应力耦合振荡区间,随着管壁厚度的增大,耦合振荡的带宽也随之增大;对于文中算例,流固耦合作用对流体谐振造成的系统振荡具有约5%的降频作用。     

离心喷嘴气涡固有声学频率预测

为得到准确的离心喷嘴气涡固有声学频率，通过renormalization group(RNG)k-ε湍流模型和volume of fluid(VOF)气液两相流模型进行数值仿真研究。仿真结果表明将离心喷嘴与喷嘴出口锥形液膜视为一个声学系统可准确预测固有声学频率，修正后离心喷嘴固有声学频率计算公式可准确计算气涡中不同气体介质的1、2阶声学频率，误差在3%以内。室压扰动频率等于离心喷嘴固有声学频率时两者发生耦合共振，气涡压力脉动振幅增加量约为室压扰动幅值的16倍，气涡声学压力脉动可能传入上游供应系统，引起喷注不稳定。     

航空发动机管路系统动力学特性综述

航空发动机管路系统主要承受来自机匣和管内流体的耦合激励作用,不同位置机匣传递的基础激励不同,如高低压转子振动、气动载荷、燃烧室火焰脉动和气动噪声激励等,管内流体激励包括介质压力脉动及管路形状改变造成的介质冲击载荷等;同时不同管型的管路通过卡箍、支架、接头等连接部件与机匣和附件相连,存在大量的结构耦合,这些都极易引发管路系统在多源载荷激励下的振动超限,诱发管路及卡箍产生裂纹等故障。为了提高管路系统服役期间的可靠性,在设计阶段需要开展动力学优化设计,并提出相应的设计标准及规范。目前管路系统动力学方面的研究主要聚焦在飞机、舰船及其他输油管路,针对航空发动机管路系统动力学特性的研究相对较少,对管路系统主要支撑部件卡箍静力学及动力学特性表征、弹支边界管路系统动力学特性、流固耦合管路系统动力学特性及管路系统动力学优化这4个方面的研究现状进行了总结与展望,旨在为航空发动机复杂管路系统设计及振动控制提供理论支持和技术指导。     

基于燃气射流冷凝的氧路系统频率特性研究

基于热力学不平衡两流体六方程模型模拟了液氧煤油补燃循环发动机燃气射流在氧路系统泵间管路液氧流体中的冷凝过程，获得了燃气射流冷凝特征参数沿管路流向的分布规律。根据Rayleigh-Plesset方程和燃气射流特性建立了泵间管路燃气冷凝过程的传递函数模型，并与氧路管路、泵等组件模型联立求解，分析了发动机氧路系统频率特性。研究了在不同氧路入口压力和液氧温度边界条件下，泵间管路燃气射流冷凝过程对氧路系统频率特性的影响，仿真结果表明高入口压力和过冷液氧改变了射流气体的惯性和柔度，使得氧路系统特征频率增大。不同边界条件下发动机热试车结果表明，提高氧路入口压力或降低液氧温度使得氧路系统频率从8.3 Hz提高至11 Hz，与数值仿真结果一致，验证了泵间管燃气射流冷凝过程是影响氧路系统频率特性的重要环节。     

气相化学反应与声学振荡的耦合机理数值研究

通过数值仿真方法针对液体火箭发动机内的气相化学动力学与振荡声场的热声耦合机理进行了研究。采用任意拉格朗日算法解耦流动与化学源项间的刚性。采用的多步总包反应机理考虑了底层的准稳态组分脉动。通过入口流量边界的流量脉动向燃烧室中引入纵向声波,并建立了冷流声学相似场模型以分析热声耦合效应的强度。研究发现:在线性小振幅声场中,气相化学动力学控制的释热系统与声学振荡无明显耦合激励;在非线性有限幅值声场中,燃烧室压力与释热波动出现“突跃”并表现为陡峭前沿波,气相化学动力学控制的释热系统与声学振荡发生耦合激励,反应流较其冷流声学相似场的压力振荡振幅增强约300%。最后分析了耦合激励发生的可能原因,提出了气相化学动力学体系的“释热分岔”假说。     

压比对文氏管汽蚀动态过程演变的影响

基于高速摄影和高频压力测量技术,对半矩形文氏管开展了酒精汽蚀试验,获得了汽蚀区域的流场结构和高频压力数据,基于标准差法分析了汽蚀区长度与压比的关系,基于图像和压力信号研究了汽蚀区的动态演变规律和压力振荡特性。结果表明：压比越小,汽蚀区发展越充分,且汽蚀区长度与压比呈负相关关系。汽蚀区动态特性由湍流脉动和折返射流机制主导,当压比较大时,湍流脉动主导了汽蚀区的动态行为,汽蚀区可分为发展区、融合区、溃灭区;压比较小时,折返射流主导了汽蚀区的动态行为,汽蚀区可分为发展区、回流区、溃灭区。发展区汽蚀形态稳定,能抑制下游压力波向上游的传递;湍流脉动和折返射流会造成发展区后方区域脱落云团的生成,并给下游带来压力振荡,振荡主频呈现出频带特征;低背压时,脱落云团将移动至扩散段下游更远区域,较大逆压梯度将造成脱落云团的逆行,使得扩散段存在局部回流区。     

流量调节器-管路系统频率特性及稳定性

针对某型流量调节器及管路系统,建立了描述其动态特性的频域分析模型,研究了系统在入口压力扰动下的频率响应特性以及系统的固有稳定性。结果表明系统响应的谐振频率反映了管路的声学特性,而调节器滑阀的作动,对谐振峰具有放大效果。通过分析系统在不同参数下的固有复频率,获得了系统稳定性边界随入口阻力的变化规律。当入口阻力由0向匹配阻力递增时,系统不稳定的区间不断缩小。当入口阻力超过某一值后,系统的不稳定区间消失。系统产生不稳定的机理是,在一定的频率范围内,流量调节器表现出负阻力特性,且当负阻力效果超过入口阻力耗散时,所在的频率范围就是系统的不稳定频率区间。若管路长度决定的系统固有振荡频率落入不稳定的频率区间内,则系统在此固有频率下产生不稳定。     

基于谐振舵面的跨声速抖振抑制探究

跨声速抖振引起的非定常脉动载荷会造成飞行器结构疲劳甚至引发飞行事故,所以跨声速抖振的控制研究逐渐成为航空领域的热点。采用基于Spalart-Allmaras(S-A)湍流模型的非定常雷诺平均方程开展了基于谐振舵面的跨声速抖振抑制研究。首先验证静止NACA0012翼型的抖振边界和频率特性,然后分别从舵偏平衡位置、舵偏幅值、频率以及相角等角度研究了谐振舵面的控制效果。舵偏平衡位置等效于减小了翼型的有效迎角;幅值和频率对抖振抑制效果影响较大,当舵面振荡频率与抖振频率接近时发生共振现象;相角对控制效果有一定影响,在270°相角附近,升力系数幅值减小了60%。在合适的舵偏幅值、频率以及相角组合下,谐振舵面有可能成为跨声速抖振的有效开环控制策略。     

飞机液压管路系统振动应力测试研究

飞机液压管路系统振动不仅影响液压系统的工作性能及寿命,还将严重影响飞机的飞行安全。在首次飞行前,必须对其液压管路系统进行振动和应力测试分析。采用加速度和应力测试相结合的方法,通过仿真确定实测点,并将实测结果与仿真结果比较,获得飞机液压管路振动的合理测试方法与判据,为判断飞机液压管路振动是否在正常范围内提供便捷、可靠的数据。     

考虑气穴影响的2D压力伺服阀稳定性

为研究双自由度（2D）压力伺服阀工作时的气穴现象对阀芯稳定性的影响，利用AMESim中的基本库和HCD库建立2D压力伺服阀各组件仿真模型。理论分析得出气穴现象会降低阀体中含气油液的有效体积弹性模量，得出考虑气穴影响的阀芯稳定性条件。仿真结果表明气穴现象会导致主阀芯到达稳定位置后出现振荡现象，影响主阀芯的穿越频率从21 Hz降低至6 Hz，限制主阀芯的频宽，适当增加主阀芯阻尼比能提高主阀芯工作稳定性。提出一种新型阻尼活塞结构，建立模型分析得出其能在不影响伺服阀频响、阀芯位移和抗污染能力情况下提高主阀芯阻尼比以提高阀芯工作稳定性，并且设计实验进行验证。实验结果表明，应用阻尼活塞将2D压力伺服阀压力输出波动从9%降低至2%，能够提高飞行器制动时刹车阀工作稳定性。     

高速燃油离心泵空化特性分析

为揭示高速燃油离心泵内部空化形态及隔舌区域空化的发生工况,对其进行了非定常数值计算,分析了不同流量下高速燃油泵内空化流场特性及压力瞬态特性。结果表明：在不同流量下,空泡首先在叶片前缘生成;随着空化数降低,空泡在叶片根部及延伸叶片背面产生;在1.2倍设计流量下隔舌区域的空化在低空化数下发生;空化对叶片表面根部的压力载荷影响较大;叶轮流道监测点压力脉动主频为叶轮轴频;隔舌监测点脉动主频为叶频,在1.2倍设计流量下的低空化数下隔舌区域监测点压力脉动频谱上轴频倍频特征增强。     

不同环境因素对引压管腔动态特性影响

为了探索引压管腔在动态压力校准和使用中不同环境因素对动态特性的影响,推导了管腔传压模型和谐振频率关系式,确立了影响管腔动态特性的参数,包括静态压力、温度、气体介质等。采用引压管腔专用实验装置进行了不同环境参数状态的实验验证,结果表明:静态压力仅会影响管腔在谐振频率附近的输出,随着静态压力的增大而非线性增大,对动态特性并无明显改变;温度会改变管腔的谐振频率和动态特性,随着温度的升高,谐振频率增大但输出幅值随之减小;气体介质的不同会彻底改变管腔动态特性,主要取决于介质的声速。该研究为引压管腔在使用环境下数据的评价和数据修正上提供了一定参考依据。     

气旋现象对气体静压轴承微振动影响的实验

气体静压轴承是气浮系统的重要组成元件，其气膜自激微振动会降低气浮系统的工作精度和刚度特性。为了进一步提高气体静压轴承的工作精度和稳定性,在分析轴承内部气膜波动形成机理的基础上,开展了数值计算及实验研究。不仅验证了气旋分布规律和气旋中心压降的存在可靠性,并且有力证明了气膜支撑区域内沿流动方向存在的分区现象。结合实验进一步分析了影响高压区气旋强度和分布位置的可能因素。结果表明:供气压力、供气孔径和气腔结构都分别对气旋的位置和强度有各自不同的影响规律；而主气旋的核心位置和内外压差造成的压力脉动又会直接决定气体静压轴承微振动的强度和频率特征。      

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。     

不同导叶数下液力透平蜗壳内压力脉动计算

当离心泵作液力透平运行时其内存在振动现象,为了使液力透平能够稳定运行,在液力透平蜗壳出口设计不同数量的导叶,然后在不同导叶数下利用Pro/e软件建立几何模型,并利用ANSYS-CFD软件通过在蜗壳内沿周向和径向设置监测点,计算在不同导叶数下液力透平蜗壳内的压力脉动幅值,之后通过快速傅里叶变换将压力脉动的计算结果进行数据处理,分析不同导叶数下液力透平蜗壳内的压力脉动频域分布和液力透平机组内的振动情况.研究结果表明:当导叶数等于9时,蜗壳内周向和径向各监测点处的压力脉动主频幅值最小;蜗壳内径向各监测点处的压力脉动主频幅值和最大脉动幅值随着流量的增加而增大,但随着导叶数的增加其增大程度逐渐减小;当液力透平蜗壳出口添加导叶数为9的导叶时有效降低了液力透平机组内的振动和噪声,提高了液力透平机组运行时的稳定性.      

液压直角管路压力波动特性计算与试验对比研究

为了探索液压直角管路内部的瞬态流动特征,熟悉压力波动特性的形成机理,采用大涡模拟方法对某型活门出口处1段直角管路进行数值模拟,捕捉局部涡旋结构的动态特性,并与粒子图像测速和激光多普勒测速试验结果进行对比。结果表明:大涡模拟方法能精确模拟直角管路内部的瞬态速度场,与试验结果吻合较好;在直角拐弯处存在明显的涡旋脱落现象,同时伴随着涡旋诱导的局部低压区域尺度与位置变化,从而导致压力波动问题的产生。