基于IDDES方法和γ-Re_θ转捩模型的粗糙颗粒诱导高速边界层强制转捩模拟

采用γ-Re_θ转捩模型与IDDES (Improved Delayed Detached Eddy Simulation)相结合的方法对BAM6QT (Boeing/AFOSR Mach-6 Quiet Tunnel)中的马赫6来流条件下粗糙颗粒诱导转捩情况进行了数值模拟研究,通过与试验测量的压力脉动均方根值、脉动主频和边界层内的皮托压分布的定量对比及与文献中DNS (Direct Numerical Simulation)流场结构的定性对比,表明该方法可以捕捉粗糙单元诱导出的流向涡,能够模拟颗粒前缘分离激波和弓形激波之间的震荡现象,能够模拟流向涡向下游的发展失稳过程及其脉动发展过程。计算结果表明流向涡结构在粗糙颗粒下游40倍颗粒直径位置开始破碎,非定常扰动能也在该点附近增长达到最大值。粗糙单元诱导出了明显的条带涡结构,其中低速条带处于边界层上层,在向下游发展的过程中逐渐扩散至边界层外缘并耗散掉。高速条带位于边界层底部,在向下游发展的同时往展向两侧拓展,最终展向上多条高速条带接触并互相耦合,导致最后条带涡结构的破碎和尾迹区边界层的转捩。     

碳/碳化锆复合材料烧蚀机理和计算方法研究

研究了碳/碳化锆复合材料氧化烧蚀机理,发现它们与传统的硅基和碳基材料烧蚀有很大差别。基体ZrC氧化后在表面形成一种膨松状的多孔固态抗氧化膜,氧化膜能有效阻止材料进一步氧化,使烧蚀量大大降低。研究了烧蚀过程抗氧化膜的形成、演化和流失行为,研究了氧化膜中氧气的扩散机制(包括分子扩散和Knudsen扩散),研究了材料原始层表面可能存在的化学反应,建立了分析碳/碳化锆复合材料烧蚀响应的物理数学模型。     

马赫数4下氢气自燃辅助乙烯点火实验研究

为了研究氢气自燃辅助乙烯点火的具体点火参数和点火性能,在直连式脉冲燃烧风洞设备上进行了模拟飞行马赫数4条件下的超燃发动机乙烯点火试验,试验来流的总温935K,总压0.8MPa,隔离段入口马赫数2.1。试验利用不同质量流量的引导氢气自燃辅助点火,成功实现了乙烯燃料的点火和稳定燃烧。通过流场显示和壁面压力测量发现:(1)能够成功点火的引导氢气流量范围为 0.43~12.61g/s,相当于当量比0.005~0.142;(2)0.43g/s流量氢气注入燃烧室后10ms以内被点燃,乙烯燃料注入后经过了约20ms才被点燃,点火的主要位置为凹槽内;(3)6.68g/s的氢气注入燃烧室后20ms才被点燃,乙烯燃料注入后约8ms即被点燃,点火的主要位置为凹槽下游和凹槽出口位置;(4)点火试验中火焰能够在凹槽内和剪切层内向上游逆传;(5)凹槽下游和下壁面的燃烧,是促进凹槽内燃烧、提升燃烧室压力和引起燃烧室压力震荡的主要原因。      

脉冲风洞发动机试验多油位多时序高精度燃料供应系统

针对脉冲风洞超燃冲压发动机试验要求燃料供应快速、稳定、精确的特点,设计了一套燃料供应系统,可多油位多时序高精度地实现试验模型燃料供应、模型点火器气源供应、气体节流气源供应等功能。该系统供应的燃料为乙烯、甲烷、氢气及其混合物。采用压力补偿装置,保持燃料稳定供应,实现燃料当量比精确控制。设计了由电磁阀和气动阀组合而成的快速供气阀门,阀门开启时间小于20ms,关闭时间小于30ms,实现燃料的安全、快速供应。对超燃发动机模型不同油位设计了专门的供油回路,通过电磁阀控制系统,实现多个油位不同时序的控制动作,时序控制精度达到1ms。给出了详细的系统设计回路,并对关键部件参数进行了计算。点火试验表明该系统可以为点火器提供稳定的空气和氢气,点火器正常时间超过500ms。在脉冲式直连式试验台上,进行了乙烯燃料超燃发动机试验,对该套供油系统进行了测试。试验监控了供油管道及模型壁面的压力分布,供油压力在试验时间内波动小于3%,发动机壁面压力显示燃烧性能良好。空气节流试验表明,该系统提供的时长为100ms、压力为4.7MPa的节流空气成功点燃了乙烯。     

空气节流对超燃燃烧室火焰稳定影响的数值研究

空气节流通过在流场中产生激波串,有效地辅助燃料实现稳定燃烧。非定常数值模拟研究了空气节流对超燃燃烧室燃料稳定燃烧的影响,分析了节流实现燃料稳定燃烧的机理。结果表明:在燃烧室入口马赫数2、静温548.8K、静压0.1MPa,乙烯燃料当量比为0.5,先锋氢辅助点火的条件下,距离发动机入口845mm处,30%入口空气流量的节流流量有效地实现了燃料的稳定燃烧,激波串是实现燃料稳定燃烧的根本原因,节流参数对节流效果有着较大的影响。     

超燃冲压发动机带凹槽的燃烧室流场振荡研究

为了分析闭式凹槽的流场振荡现象,结合试验和二维非定常数值模拟方法,开展了三种条件下的非定常研究.通过实验发现,长深比较大的凹槽作为超燃冲压发动机火焰稳定装置时,凹槽的冷流流场存在强烈的振荡现象.结合二维非定常数值模拟方法,初步分析了振荡机理:振荡的主要原因是燃烧室入口气流马赫数的大小,马赫数2.0条件下,流场周期振荡;马赫数3.0条件下,流场可以稳定存在.根据分析结果给出了流场特征与马赫数的定性依赖关系.通过增加隔离段长度的方法对分析结果进行了验证.     

轮控欠驱动航天器的姿态控制特性

针对由飞轮控制的欠驱动航天器,研究了直接以飞轮转速为控制输入时航天器姿态的小时间局部可控性与可镇定性。首先,视飞轮转速为输入,将航天器与飞轮总角动量守恒的约束直接纳入系统动力学方程中。然后,利用非线性系统的可控性与可镇定性理论分析该系统方程在分别带有一个和两个飞轮时的控制特性。结果表明,仅在带有两个非共轴的飞轮时航天器的姿态才有可能满足局部可控;同时,系统已经不能被时不变光滑状态反馈渐近镇定,但至少可以被分段连续的状态反馈渐近镇定。据此,设计了基于四元数的非光滑控制器使得航天器的姿态迅速镇定,同时飞轮转速不超过最大转速,既验证了理论分析结果的正确性,又具有一定的实用意义。     

空间机器人一体化仿真系统的研究与实现

为对空间机器人关键算法进行验证和评估,开发了一套一体化仿真系统。该系统基于模块化设计思想,由遥测遥控接口、轨迹规划与控制、系统动力学模型、系统3D几何模型、相机成像模型、图像处理与位姿测量、碰撞检测与安全预警等模块组成。其中,3D实体模型及仿真场景由OSG(Open Scene Graph)建立,各关键模块的算法采用C语言编程实现,可对空间机器人执行在轨任务的关键算法进行闭环验证。最后对两种典型工况进行了仿真实验,结果表明了该系统的有效性。     

马赫数为4的超燃发动机碳氢燃料点火试验

在直连式脉冲燃烧风洞设备上,开展了模拟马赫数为4,总温为935K的超燃发动机碳氢燃料点火试验.试验利用了点火器加引导氢气、引导氢气自燃辅助点火、节流加引导氢气3种辅助点火方式成功实现了乙烯燃料的点火并维持了稳定燃烧.试验研究发现:利用氢气自燃辅助乙烯点火,氢气质量流量范围为0.43~12.61g/s,氢气质量流量过大不能成功点火;利用节流加引导氢气的辅助点火方式,节流量为10%~30%,氢气注油压力为5MPa能够可靠点火.最后研究了乙烯从凹槽上游和从凹槽底部注油的发动机贫油点火极限和富油工作极限,研究发现两者的贫油熄火极限相近,为当量比为0.077,而富油工作极限差别较大,当量比分别为0.327和0.471.      

高温超声速流中爆震波特性数值研究

通过对高温超声速流中爆震波性质的研究,评估其在高超声速冲压发动机燃烧室的燃烧组织中应用的可行性,并通过数值模拟对分析结论进行了验证。提出了一种新的爆震波起爆机制,注入高温超声速流中的燃料混气可通过自身缓慢的释热使流动进入局域热壅塞状态,进而借助局域热壅塞产生的激波实现爆震波的起爆。计算结果表明在适宜的温度与马赫数条件下,注入高温超声速流中的燃料可通过新的起爆机制在超声速流中形成一道稳定的驻定爆震波。表明在高超声速冲压发动机燃烧室中存在着通过驻定爆震波实现火焰稳定的可能性。