航天和导弹用吸气式发动机的发展

本文介绍了美国第24届联合推进会议关于航天和导弹用吸气式发动机方面的情况,主要内容有航天飞机用吸气式发动机及其组合,其中包括反物质推进和激光-电子冲压发动机;超声速飞机发动机;吸气式发动机在高速战术导弹上的应用等,说明了吸气式发动机的发展前景.     

吸气式激光推力器概念设计

以发射10kg级微小卫星为航天任务背景,基于地面推力1000N的设计指标,分析了吸气式激光推进的主要性能参数,依据所建立的激光推进能量相似律理论和数值计算研究结果,对激光参数、聚焦系统和喷管子系统进行设计,完成了封闭的吸气式激光推力器概念设计循环。所提出的二次反射聚焦系统与抛物形喷管组合的吸气式激光推力器概念模型经数值计算程序验证,可以获得地面500N/MW的冲量耦合系数。所提出的设计理论和方法对激光推力器概念设计有一定的参考价值,是研制激光推力器模型的重要基础。     

吸气式发动机智能化技术发展及展望（英文）

智能化技术是支撑未来吸气式发动机发展的重要技术手段,体现了一个国家高端装备的研发水平,可大幅度提高吸气式发动机的研发效率和质量。本文论述了智能化技术在吸气式发动机领域的研究现状,从智能设计、智能部件、智能感知、智能控制、智能自愈、智能维护六个维度分析了吸气式发动机存在的问题及技术挑战,给出了几个重点方向的发展建议及展望。     

二维带动力吸气式高超声速飞行器绕流的PNS-NS混合求解

为了提高吸气式高超声速飞行器绕流的求解效率,采用空间推进求解抛物化PNS(parabolizedNavier-Stokes)方程和时间迭代求解Navier-Stokes(N-S)方程的混合计算流体动力学(CFD)方法来求解高超声速飞行器整机绕流.在超声速占主导的流动区域采用空间推进求解抛物化N-S方程的方法,在亚声速和分离区采用时间迭代求解N-S方程的方法.对于求解二维带化学反应的吸气式高超声速飞行器绕流,混合CFD方法和完全时间迭代方法相比,可得到同等准确的数值模拟结果,并且求解效率提高了数倍.      

吸气式重复使用运载器弹道仿真研究

在对国内外吸气式可重复运载器的发展现状进行了分析后,建立了吸气式重复使用运载器动力学模型、地球模型以及大气模型等数学模型;建立了空天飞行器的弹道仿真系统。并以某吸气式重复使用运载器为研究对象,利用MATLAB编写程序,进行了飞行弹道的模拟仿真。仿真试验表明,计算方法及相应的仿真系统是合理可行的,可应用于吸气式重复使用运载器可行性的评价。     

高超声速推进技术发展驶入快车道

高超声速推进技术与高超声速武器密切相关,吸气式高超声速飞行器一直是国外重点发展的战略军事技术。X-51A“乘波者”飞行试验的成功使超燃冲压发动机技术向实际应用又迈进了一大步,同时也带动了其他高超声速推进技术的发展,美国、法国。俄罗斯、澳大利亚、日本等国都在加入该领域的投入。     

空天飞机/吸气式推进系统一体化性能的模拟

从一体化角度出发,进行了空天飞机／吸气式推进系统一体化性能的数值模拟。给出了涡扇发动机和冲压发动机的参数选择方法和计算结果, 采用工程计算的方法, 计算了进气道和喷管的特性。最后给出了性能一体化的合成结果     

抛物形喷管的激光推进能量相似律数值研究

针对吸气式抛物形喷管,通过辐射输运方程和流体力学方程联立求解,计算激光能量沉积过程中的爆轰波流场,并采用高温平衡气体模型计算后续的激波流场,得到了不同构形的喷管在不同条件下的冲量和冲量耦合系数。提炼了耦合多种影响因素的无量纲因子,讨论了入射激光能量和喷管构形对推进性能参数的影响,建立了抛物形喷管激光推进的能量相似律。结果表明:当顶点到出口最外侧点连线和对称轴的夹角固定时,冲量和冲量耦合系数随无量纲因子先增大后减小,在0.37附近取得极大值;当无量纲因子固定时,冲量和冲量耦合系数均随夹角增大而减小,冲量随入射激光能量增加而增大,冲量耦合系数受能量的影响程度很小。     

一种用于吸气式电推进的新型吸气装置研究

为提升吸气式电推进吸气装置的气体收集率,本文设计一种新结构的吸气装置,即附有近壁阻翼结构的抛物型吸气管。以单元粒子/直接蒙特卡罗碰撞模型（PIC/DSMC）对传统抛物型和新型结构的吸气管进行流场参数分布的数值计算。计算结果表明,近壁阻翼对于壁面附近返流有较强的阻碍作用,可令返流粒子数量减少,气体收集率可提高2%～10%不等;近壁阻翼的位置和长度对气体收集率有较大影响,主要表现在阻翼对来流阻挡作用和对返流阻挡作用两者的占比程度,在本文工况中（轨道高度为180km,适应系数σ=0.3）,气体收集率的最优值为47.3%。     

空天飞机最优轨迹／推进性能研究

基于Ｓａｎｇｅｒ的气动外形，推进系统模型，质量模型等，采用飞行力学，最优控制理论及其数值计算等方法，研究了二级入轨水平起飞载机最小起飞质量的上升轨迹，得到了给定任务需求条件下吸气式组合发动机总体性能要求。合理分析了载机最优上升轨迹，任务需求对吸气式组合发动机总体性能的要求。得到了一些明确而重要的结论。     

高速永磁电机定转子小间隙三维流场计算

为了考察高速、超高速下这种“定转子环形间隙+定子槽”并联冷却结构的流场特性,针对一台额定转速120 000 r/min的超高速永磁电机,采用计算流体动力学方法对定转子小间隙三维流场进行了研究,分别考虑了定子槽、轴向冷却流,以及转速对电机定转子小间隙流场的影响。结果表明:定子开槽后,原先存在于定转子环形间隙内的泰勒涡消失了,另外高转速、轴向流加强了环形间隙区气流与定子槽区气流的混合程度。研究结果为高速永磁电机转子热设计提供了重要参考依据。     

Coupling fluid (CFD) and structural (FE) models using finite interpolation elements

In the field of aeroelasticity, interactions between elastic structures and fluid flow are investigated. Recently, numerical aeroelastic models have been built composing those of the combining fluid dynamics (CFD) and the computational structural dynamics (CSD) domains. Since the fluid and the structural models differ in their formulation and discretization, an interface model has to be introduced that represents the connectivity and physical interaction between the two single domain models. In the following, a scheme for coupling fluid (CFD) and structural models (FE) in space is presented which is based on finite interpolation elements. It is applied to static aeroelastic problems, in order to predict the equilibrium of elastic wing models in transonic fluid flow. The structure is represented by finite elements and the related equations are solved using commercial FE analysis codes. The transonic fluid flow is described by the three-dimensional Euler equations, solved by an upwind scheme procedure. The resulting coupled field problem containing the fluid and the structural state equations, is solved by applying a partitioned solution procedure. In each solution step the interface and boundary conditions are exchanged and updated. Here, a fixed-point iteration scheme is used for the coupled aeroelastic equations.     

高超声速复杂气动问题数值方法研究进展

高超声速流场具有复杂流动特征,其中真实气体效应、磁流体干扰效应和力热结构耦合效应等对气动力分析产生了重要影响。将流体力学研究扩展到分子动力学、电磁流体力学以及流固耦合等交叉学科领域,这给数值模拟方法带来了巨大挑战。针对高超声速气动力/热分析的热点问题,重点关注高温效应与低密度流动效应、磁流体干扰效应和力热结构耦合效应等,结合算例分析了相应的数值求解技术;在气动热方面主要比较了3类求解方法(纯工程方法、纯数值方法和基于Prandtl边界层理论的方法),并给出了相应算例;对于气动力/热/结构耦合问题,从耦合模型及耦合计算方法两方面开展了分析。最后指出了高超声速复杂气动问题数值求解技术未来需重点关注的几个方面。     

基于流体网络法的喷管冷却气流量分配计算方法

流体网络法对喷管气膜冷却问题具有独特的优势,但难以反映出入流对冷却气流道静压变化的影响。针对此引入了可反映出入流导致静压变化的管道元件,并基于孔口速度落后角对静压变化量进行了建模。验证算例表明,这一改进使沿程静压变化趋势与实际吻合较好,使冷却气流量分配计算误差降低到0.5%以下。将改进后的流体网络法与主流通道的计算流体力学模拟耦合用于分析喷管冷却气流量分配,与全计算流体力学模拟相比结果差异小于1.2%,且大幅降低计算量;在某型喷管设计中的应用表明,可以有效反映冷却结构改变对冷却气流量分配的影响。      

轴承腔油气两相流数值模拟的试验验证

为探索一种适于模拟轴承腔油气两相流流动特性的数值计算模型,建立了一套简化结构的轴承腔试验装置,通过试验研究获得了不同工况对轴承腔通风口出气比例和回油口滑油温升的影响规律.应用Fluent软件,采用Mixture多相流模型和Eulerian多相流模型分别搭配标准k-ε湍流模型和RNG(renormalization group) k-ε湍流模型对选定试验工况进行数值模拟.对比结果表明:当转速为2200r/min时,使用Mixture多相流模型搭配RNG k-ε湍流模型计算的滑油温升与试验值的相对误差仅为2.72%,体现了该计算模型在高转速时的精确性,并在此基础上获得了油气两相流速度场、压力场和温度场的分布特征.      

回流口位置对液体火箭液氧贮箱热分层的影响

低温液体火箭射前需要采用自然循环方式对火箭发动机进行充分预冷,循环预冷管路的回流口位置是影响液氧贮箱内部场分布的重要因素.采用计算流体力学(CFD)技术,通过对不同回流位置的液氧贮箱物理场的数值模拟,揭示了贮箱内部温度场及速度场的分布特性,分析了回流口位置对贮箱内部热分层的影响规律.研究表明,当回流口位于下封头以上2 m位置时,贮箱内部液氧过冷度最大,过冷液体含量最多,回流位置最佳.此研究结果为运载火箭推进系统的设计提供了重要的理论支持.      

Recent progress of machine learning in flow modeling and active flow control

In terms of multiple temporal and spatial scales, massive data from experiments, flow field measurements, and high-fidelity numerical simulations have greatly promoted the rapid development of fluid mechanics. Machine Learning(ML) provides a wealth of analysis methods to extract potential information from a large amount of data for in-depth understanding of the underlying flow mechanism or for further applications. Furthermore, machine learning algorithms can enhance flow information and automat...     

CFD可视化研究与进展

计算流体力学（ＣＦＤ）是可视化的重要应用领域,本文以ＣＦＤ可视化的研究内容、研究方式和研究模型为出发点,详细讨论了ＣＦＤ矢量场和张量场的各种显示技术,指出了ＣＦＤ可视化中多变量数据分析和特征可视化研究的现状及其发展趋势。从中可以看出ＣＦＤ是可视化中的一个非常重要而又极富挑战性的研究领域。     

二元外压式进气道侧板对流场影响

为研究二元外压式进气道侧板对流场影响,采用FLUENT软件计算了有、无侧板两种方案进气道三维流场,通过对比可知安装侧板的进气道性能显著高于不安装侧板进气道性能.在此基础上,计算了有侧板进气道在来流马赫数为2.0～3.0之间的性能特性,与进气道二维流场计算结果相比,进气道三维流场中压缩气体越过侧板溢流使进气道性能下降.通过分析不同来流马赫数下溢流流动,得出了侧板溢流对进气道流场影响规律.      

低速风洞引射短舱动力模拟技术新进展

引射短舱可以模拟发动机短舱的喷流影响,并部分模拟进气影响,能用于研究发动机短舱与机翼及增升装置的气动干扰特性,且具有研制周期短、造价低等特点,是在风洞中开展飞机/发动机一体化设计研究的一种重要试验技术。本文介绍了气动中心低速所在引射短舱设计技术和试验技术方面的新进展。采用商业软件对引射短舱进行了三维流场数值模拟,获得了引射短舱性能和三维流场信息。对引射短舱内部流场进行了分析和研究,对引射喷嘴数量、位置进行了优化,增加了引射短舱的进气流量,改善了尾喷口流场均匀度,明显提高了引射短舱性能。发展了空气桥技术,采用有限元方法进行了优化设计,对空气桥和天平进行一体化设计,并进一步发展了空气桥影响修正技术,解决了供气管路对天平测力的影响问题。发展了高精度流量测量控制技术,采用了数字阀、流量控制单元、短舱内部测量耙等技术,提高了流量的控制测量精度及测量不确定度,流量控制精度达到了0.1%,流量测量不确定度达到了0.3%,引射短舱落压比控制精度优于0.01。研制了短舱移动支撑装置,能够实现引射短舱的独立支撑,并实现短舱前后和上下位置的变化,用于开展短舱位置优化研究。最后,介绍了引射短舱的地面性能测试及风洞试验应用,给出了性能测试与数值模拟的对比结果和典型的风洞试验结果,试验结果表明动力影响使得飞机0°迎角升力减小,升力线斜率增大,失速迎角推迟。