气冷涡轮导叶流热耦合计算及机理

针对气冷涡轮叶片的多场耦合特性，利用流热耦合（CHT）方法，对采用不同气冷结构的高压涡轮导叶进行数值模拟。在内冷涡轮导叶算例中，对比实验数据选取精度较高的流热耦合计算方案，分析该内冷涡轮导叶的多场特性及耦合机理。在此基础上，以带有气膜冷却孔及内冷通道的气冷涡轮导叶为研究对象，重点围绕冷却射流与主流的相互作用，讨论近壁边界层中流热耦合关系及气冷效率影响因素等相关问题。结果表明:采用流热耦合计算方法及合适的湍流转捩模型有利于提高数值精度；气冷涡轮导叶的流场温度场密切耦合，流动换热特性互相影响；冷气射速低时，增加冷气流量可提高气膜冷却效率，冷气量达到一定值时，冷气流量增加将导致气膜冷却孔后上游冷却效果变差，下游冷却效果变好；冷气射速较高时，将与主流相互作用产生复杂流动结构（如肾形涡、马蹄涡等），对温度分布存在一定影响。      

发动机装配检测一体化系统设计与关键工艺

介绍了发动机装配检测一体化系统的整体架构与设计。开发了作为系统核心部件的气体静压轴承的工艺新方法,利用大型数控光学加工机床,得到光学级气浮工作面,实现高精度气浮转台制造。以此为基础,研制具有高精度、高可靠性、高易用性、可定制特性的发动机装配检测一体化系统,突破国产航空发动机装配工艺及其装备制造技术瓶颈。针对压气机转子开展装配试验,将多级装配体的累积径向跳动误差降低46%,累积同轴度误差降低30%,验证了装配系统与装配工艺的有效性。     

发动机装配检测一体化系统设计与关键工艺

介绍了发动机装配检测一体化系统的整体架构与设计。开发了作为系统核心部件的气体静压轴承的工艺新方法，利用大型数控光学加工机床，得到光学级气浮工作面，实现高精度气浮转台制造。以此为基础，研制具有高精度、高可靠性、高易用性、可定制特性的发动机装配检测一体化系统，突破国产航空发动机装配工艺及其装备制造技术瓶颈。针对压气机转子开展装配试验，将多级装配体的累积径向跳动误差降低46%，累积同轴度误差降低30%，验证了装配系统与装配工艺的有效性。     

气膜密封阻尼结构的气膜稳态特性分析

针对航空发动机等高速旋转机械的气体动密封和转子系统的振动问题,提出一种新型的带金属橡胶弹性外环的气膜密封阻尼结构,其作用是在转静子之间建立气膜用于阻尼和封严,高弹性阻尼材料的外环用于控制气膜的动力特征.基于准静态法建立转子-气膜-金属橡胶外环三者之间的流固耦合关系,采用有限差分法求解气膜压力场,得到表征气膜密封阻尼结构稳态特性的气膜力、泄漏量和摩擦转矩随参数变化的规律.计算结果表明:弹性外环能有效地改善气膜压力场的分布.具有良好稳态性能的结构参数选取范围应结合实际工况确定.在给定的工况条件下,长径比取1.5,密封间隙取0.05mm,柔性系数在2左右为佳.      

基于热-流-固耦合方法火焰筒壁温三维数值模拟

准确地确定火焰筒壁温分布是对其进行热结构分析的前提和基础.基于ANSYS/CFX程序平台,采用基于燃烧模型的热-流-固耦合有限元方法,对某环形回流燃烧室的整个流场、温度场进行数值模拟,得出火焰筒壁温三维温度场分布.计算中考虑了燃烧热源和热辐射,燃烧和流场变化对换热的影响,以及燃气、煤油和固体物性参数随温度的变化.数值模拟结果表明,将流场和固壁进行耦合求解,能更精确反映流场和温度场的整个形态,可以模拟出较为合理的流场和温度场分布以及相应的流动换热特性.所做工作对火焰筒结构设计具有重要的工程应用价值.      

有限元法在空间飞行器天线反射器热分析中的应用

有限元方法是求解对热稳定性要求较高的空间飞行器部件温度场的一种行之有效的方法。文章给出了空间飞行器天线反射器热分析的有限元求解方法,应用有限元法计算了某卫星抛物面天线反射器的在轨稳态和瞬态温度场,为进一步的在轨热变形计算以及热控方案的选择提供了必要的温度数据。     

空心阴极热特性优化研究

空心阴极常用于霍尔或离子电推进系统的电子源，其热特性对自身工作寿命和能效有重要影响。为考察工作过程中阴极的温度分布和热耗散特性，对空心阴极进行数值分析。采用等离子体流场计算数据与温度场计算数据互为输入条件，进行反复迭代的方式，计算稳态下阴极内部的温度场。为验证模型与计算代码的正确性，在真空舱内开展阴极的放电试验，利用热电偶与光学温度计对阴极5个测点进行测温，并将试验结果与计算结果进行比对。结果表明，计算的最大误差在5%以内。在此基础上，考察了不同结构、材料空心阴极内部的温度分布以及热耗散情况。当阴极整体长度由小变大时，阴极整体热耗散功率会先减小后增大，而采用发射率较高的外壳材料会提高阴极整体热耗散且降低整体温度。     

高速永磁无刷直流电机的热分析

为了解决高速永磁无刷直流电机温升过高带来的磁性能降低及绕组绝缘破坏等问题,对高速电机的温度分布及改进措施进行了一系列研究.采用集中参数法建立了电机热网络数学模型,推导出电机损耗、热导和温度之间的解析方程;建立了基于ANSYS/Workbench的电机三维有限元模型,对其进行稳态热分析,从而得到电机整体的温度分布,验证了电机热网络模型的正确性;提出了改变转子护套材料及电机轴打孔两种措施.分析结果表明:改进后的电机转子部分温度有了明显降低,其中护套温度降低了约34℃,永磁体约54℃,解决了电机的局部温度过高问题.     

同步轨道遥感器热设计和热分析

为解决遥感器在同步轨道环境温度场分析中热传导与热辐射的综合处理问题,热传导模型温度计算采用控制容积方法建立有限差分方程;热辐射模型采用奥本海姆方法计算设备表面单元之间辐射换热;根据是否被遮挡,辐射换热中表面单元角系数的计算分别采用积分和数值方法。计算结果表明,采用上述方法进行温度场分析能够有效解决热传导模型与热辐射模型的耦合,求解精度较高,遥感器设备部件稳态分析温度分布和在轨瞬态分析温度曲线变化清楚,可作为进一步精密热控设计的依据。     

静压气浮轴承工程设计方法研究

静压气浮轴承是惯性器件测试平台回转支撑轴系的关键部件，其承载能力和回转精度对惯性器件测试的准确性有着重要的影响，目前，静压气浮轴承设计、计算过程复杂，为提高设计效率，简化设计方法，在满足静压气浮轴承性能的条件下，推导了静压气浮轴承工程计算公式，在此基础上，设计了一款双向止推空气轴承，确定了几何参数，计算了空气静压径向轴承、空气静压止推轴承的轴承承载力、刚度、耗气量及摩擦力矩，并与有限元仿真结果进行了对比分析，验证了该设计方法的有效性。     

静压气浮轴系回转精度测量方法研究

在对静压气浮轴承工作原理和气浮轴系回转精度分析的基础上,提出了适合空间翻转运动静压气浮轴系回转精度的测量方法,设计了测量装置并开发了测量软件,进行了测量结果的不确定度分析,最后完成了具有空间翻转运动静压气浮轴系的回转精度测量。实验结果表明,静压气浮轴系回转精度测量方法简单可行,测量结果准确,稳定性好,能够满足空间翻转运动条件下的静压气浮轴系回转精度测量要求。     

电动汽车动力电池生热模型和散热特性

结合Bernardi生热速率模型建立了单体电池正极片集流体、负极片集流体和电池极板的热耦合模型以及成组电池传热模型;利用Fluent软件仿真分析了自然通风环境中LiFePO₄单体电池的生热特性,模拟了强制空气对流冷却条件下成组电池的生热和散热特性,分析了电池箱出风口位置对电池温度的影响;计算了不同放电倍率下电池组温度变化.计算结果表明:动力电池恒流放电末期,正、负极片的电流密度最大值出现在极耳处,正、负极耳温度高于极板温度,且正极耳温度大于负极耳温度;强制冷却条件下成组电池热特性满足安全工作温度要求;电池箱出风口位置直接影响冷却空气速度场和电池组温度场分布,出风口设置在电池箱下部有助于改善其热状态一致性.对特征点温度监控数据与仿真结果的误差小于5%,能够满足工程需要.      

准直光学系统热变形对太阳模拟器性能影响研究

为了给太阳模拟器系统热管理提供可靠的技术依据,研究了准直光学系统热变形对系统性能的影响。选取项目组自主研发的高精度太阳模拟器准直光学系统作为研究对象,利用有限元软件仿真实际工作条件下各光学元件表面温度及热变形分布,将通光表面变形数据拟合为泽尼克系数导入光学设计软件中,分析热变形对系统准直角误差及辐照均匀度影响。研究结果表明:在未采取温控措施的自然对流条件下,热变形造成±1’的准直角误差和41.3%的辐照不均匀度,超出允许范围,需进行温控。通过光机集成分析法,给出了不同温度下,对流系数与热变形导致的准直角误差和辐照不均匀度对应关系,为风冷温控系统工程化设计提供了依据。     

准直光学系统热变形对太阳模拟器性能影响研究

为了给太阳模拟器系统热管理提供可靠的技术依据，研究了准直光学系统热变形对系统性能的影响。选取项目组自主研发的高精度太阳模拟器准直光学系统作为研究对象，利用有限元软件仿真实际工作条件下各光学元件表面温度及热变形分布，将通光表面变形数据拟合为泽尼克系数导入光学设计软件中，分析热变形对系统准直角误差及辐照均匀度影响。研究结果表明：在未采取温控措施的自然对流条件下，热变形造成±1′的准直角误差和41.3%的辐照不均匀度，超出允许范围，需进行温控。通过光机集成分析法，给出了不同温度下，对流系数与热变形导致的准直角误差和辐照不均匀度对应关系，为风冷温控系统工程化设计提供了依据。     

Design of Optical and Mechanical Structure for Lunar Simulator Based on Variable Shape and Adjustable Radiance

To simulate the different lunar phases and ensure continuous adjustability of the radiant brightness, a new broad spectrum light and frosted glass were applied and designed in the optical system for lunar simulator with the shapes and radiance being able to be adjusted. According to the engineering demand and index requirements of the optical system, three major design aspects are addressed, including the high reliability and maintainability for broad-spectrum light, heat dissipation in lunar simulator for long working hours, and bearing of the main frame under different working conditions. By designing a reasonable machine structure, and through the structure itself with the matrix arrangement of 48 axial flow fans, an effectively cooling air duct is established. Deformation and temperature were calculated by the finite element software ANSYS. The results showed that the displacement deformation reached 0.33mm and stress deformation reached 0.02MPa at the temperature of 20℃; when the main frame was in the temperature field between 20℃ and 65℃, the maximum displacement deformation reached 13.30mm and maximum stress deformation is 97.90MPa, and the amount of this deformation is very small in considering of the mechanical structure dimensions and weight of the lunar simulator.      

直线电机气浮精密定位平台设计与控制

为了掌握光刻机工件台的设计和控制技术,建立了双边直线电机驱动的H型气浮精密定位平台,对该精密定位系统的气浮导轨设计方法、双边直线电机同步运动控制等关键技术进行了研究.利用有限元计算方法分析设计了气浮导轨,采用预加载技术提高气浮导轨的承载能力和刚度.实验结果表明:气浮导轨具有较高的承载能力和刚度, X和Y 导轨的竖直方向静刚度为276.9N/μm和333.3N/μm.H型工作台的双边直线电机需要高精度的同步运动控制,传统的串、并联同步控制不能满足精度要求,设计了基于同步速度偏差的改进型并联结构同步控制器,采用模糊控制实现PID参数的自适应整定.实验表明:采用改进的控制器将速度同步精度提高了3倍多,适合于具有强机械耦合的多电机同步运动控制.H直线电机气浮定位平台具有承载能力强(40kg)、精度高(<2μm)的优点,可用于精密工程领域.      

模块化空间可展开天线支撑桁架结构的热-结构分析

对模块化空间可展开天线支撑桁架结构进行空间热交变环境下的热 结构分析,为天线结构因热致变形影响形面精度和网面稳定性提供合理的防护建议。采用ANSYS APDL有限元软件建立了大口径模块化空间可展开天线支撑结构的精细化数值模型,基于已有试验分别验证了模块化可展开天线结构有限元建模和热分析模型的正确性;分析了在瞬态温度场作用下约束位置等参数对支撑桁架弦杆及拉索应力的影响和热致变形规律。研究结果表明：空间可展开天线结构的应力和变形随时间历程发展与瞬态温度场变化趋势基本一致;同一瞬态温度场下,天线结构中心模块拉索热应力最大,同圈模块的弦杆热应力幅值基本相同,其上弦杆热应力逐圈增大,而拉索热应力逐圈减小;天线结构热致变形在距离约束最远端处整体累计值最大,上层中心点处累计热致变形可达15mm左右,对天线形面精度的影响不可忽略;将天线支撑桁架结构最外侧且距离结构中心最近的模块顶角和与相邻模块竖杆拼接处作为星载天线伸展臂约束时,天线结构的热致变形最小。将该处作为模块化空间可展开天线的展开支点,并建议对天线支撑结构表面采用涂刷隔热防护复合材料涂层等防护措施,以增加天线结构在太空极端环境的适应性,从而减小温度交变对天线整体形变和网面精度的影响。