亚跨超风洞现代试验设计方法研究

开展了基于现代试验设计方法(MDOE)的亚跨超风洞试验研究,以八号标模尾翼为试验对象研究其气动特性,采用同时改变攻角-侧滑角的多变量方法,而不是传统的单变量(OFAT)方法进行试验。对自变量攻角和侧滑角进行试验设计(DOE),应用响应面法建模,用IV-最优方法对测量点分布进行设计。在FD-12亚跨超风洞完成了试验,并和传统的OFAT方法结果进行比较分析。结果表明:MDOE方法获得的数据和传统的OFAT方法的数据吻合很好;MDOE采集样点数减少了46%,吹风的时间比OFAT减少30%左右,提高了风洞试验效率,缩短了试验周期;MDOE试验方法可以给出设计空间内任意给定自变量对应的响应值及其置信区间。     

基于响应面法的带喷流激波针参数优化研究

对基于响应面法的带喷流激波针参数优化方法进行了研究,优化目标是最佳减阻效果和最小喷流流量,优化参数是激波针长度、喷流出口总压和喷流出口直径,利用响应面模型对设计参数与响应目标的关系进行建模,样本点设计采用了Ⅳ-最优方法,样本点的气动响应通过数值计算得到,最后用期望函数法进行多目标寻优。研究表明:激波针长度、喷流总压和喷流出口直径与阻力呈现2阶或3阶非线性关系,且激波针长度和喷流出口直径耦合效应较强;响应面模型给出了阻力与各设计参数关系的数学表达式,仅用较少的样本点就获得了设计空间内任意参数组合的阻力预测值和置信区间,效率较高;通过响应面法获得了最优参数组合,其阻力预测值与校验结果相比精度较高;响应面法应用于带喷流激波针这类多参数、多目标优化设计问题中,有计算量小、结果可信、实用性强的特点。     

最小喉道面积比对多级轴流压气机性能影响

为了研究最小喉道面积比对多级轴流压气机性能的影响,开发了一套基元叶栅最小喉道面积比的计算程序。通过对基元叶栅进行最小喉道面积比计算,得到压气机叶片沿展向的最小喉道面积比分布,同时分析了转子和静子的最小喉道面积比分布规律。最后采用修改基元叶型的前段弯度比与最大厚度来改变基元叶栅的最小喉道面积比分布,分析了不同最小喉道面积比分布对多级轴流压气机性能的影响。结果表明,压气机的阻塞流量与最小喉道面积比成正相关,并且存在最佳前段弯度比使压气机设计点效率与压比达到最大,最大厚度变小能改善压气机整体性能。     

当量比对燃烧模态的影响机理分析

为了深入分析当量比对燃烧模态的影响机理,通过试验和计算研究了不同当量比条件下超燃冲压发动机燃烧室流场,给出了释热速率的计算方法。结果表明,数值模拟结果具有一定的可靠性,并基于数值模拟结果,提出了模态形成过程中释热和流动速度的反馈平衡机理。给出了三种燃烧模态及其特征,超燃模态,燃烧释热为分布式,燃烧室流动速度为超声速,隔离段无分离;亚燃模态,燃烧释热为集中式,燃烧室流动为亚声速,隔离段存在大分离以及强激波串;混合模态,燃烧释热为集中式,燃烧室流动同时存在亚声速和超声速,隔离段存在大分离以及强激波串。提出了高当量比条件下实现超声速燃烧的方法,即在扩张段注油,避免集中式释热。     

采用离心喷嘴的单凹腔驻涡燃烧室点火与贫熄特性

为了研究单凹腔驻涡燃烧室的点火和贫油熄火特性,设计了一个带扩压器和内外机匣的单凹腔驻涡燃烧室矩形试验件,采用试验研究和半经验分析相结合的方法对其点火和贫油熄火进行了研究。试验在常压状态下进行,采用RP3航空煤油作为燃料,所用供油喷嘴为空心锥离心喷嘴,试验中的进口空气温度在287~487K变化,进口空气流量在0.2109~0.4219kg/s变化,对应进口马赫数从0.15变化到0.31。结果表明:单凹腔驻涡燃烧室的点火和贫油熄火油气比均随着燃烧室进口温度和进口流量的增加而减小,单凹腔驻涡燃烧室的点火油气比比贫油熄火油气比约大50%。经过半经验分析,得到了影响单凹腔点火和熄火的综合参数A,该参数能够较好地解释和评价各种因素对贫油熄火的影响。     

等离子体对GPS信号载噪比的影响

飞行器再入过程产生等离子体,等离子体中电子密度的变化对电磁波信号造成幅度衰减和相位偏移,严重时导致通信中断。理论分析了等离子体对GPS信号载噪比的影响;利用实验室环境下的等离子体模拟装置,设计了GPS二键相控(BPSK)调制信号透过等离子体的地面模拟方案,进行了等离子体对GPS接收机性能影响的实验研究,获得了不同电子密度下的衰减和导航信号载噪比的数据。实验结果与理论分析一致,不仅证明了等离子体下衰减与导航信号载噪比的变化是一致的结论,而且验证了实验方法的有效性。     

矩形截面超高层建筑横风向气动阻尼的风洞试验研究

通过15个超高层建筑气动弹性模型的风洞试验,利用随机减量法从模型的风致加速度响应中识别了横风向气动阻尼比,并通过比较验证了识别结果的正确性。在此基础上,研究了矩形截面超高层建筑横风向气动阻尼的变化规律,考察了湍流度、高宽比、宽厚比对建筑结构气动阻尼比的影响。研究结果表明:来流湍流度和建筑的宽厚比是影响高层建筑横风向气动阻尼比至关重要的参数,而高宽比主要通过改变振动幅值来影响横风向气动阻尼;横风向气动阻尼比随折减风速变化的正负峰值大小基本随来流湍流度的增大而减小,气动阻尼比由正转负对应的折减风速随湍流度的增大而增大;宽厚比对横风向气动阻尼比的影响很大,当B/D1、B/D=1及B/D1时,气动阻尼比的变化规律几乎完全不同。基于这些研究数据,对横风向湍流度为0.67%~17.06%的风场中、高宽比5~10及宽厚比1/3~3之间的矩形截面超高层建筑,给出了适用于低折减风速区的横风向气动阻尼比经验公式。     

支承刚度非线性转子系统的不平衡响应

针对航空发动机中转子支承的刚度非线性问题,基于谐波平衡法,发展了一种适用于多自由度转子系统的不平衡响应计算方法.通过对带有非线性支承的双盘转子系统不平衡响应的数值模拟,获得了影响非线性转子系统不平衡响应的关键参数和重要规律.研究表明:转子不平衡响应的非线性特征与振型密切相关,转子的峰值频率和峰值振幅随支承刚度非线性的增强而升高,随不平衡的增大而增大,非线性支承会使响应中出现频率的3倍频和5倍频成分.     

基于Taguchi方法的转子系统动力学容差设计

提出了基于Taguchi方法的转子系统动力学容差设计理论.从结构的动力响应要求出发,以Taguchi方法为基础,对结构的制造及装配容差进行动力学容差设计,减小结构在制造过程的设计参数不确定和安装工艺不确定影响下其动力响应的波动.该设计过程为:①通过正交试验及方差分析完成参数设计,初步确定符合要求的参数设计值组合;②确定容差设计的初始设计值及初始设计范围,确定目标函数,形成多目标优化问题;③利用遗传算法对多目标优化问题进行解算,得到容差设计结果.对某型双转子航空发动机具有初始不平衡量轮盘的安装工艺进行了容差设计.设计表明:具有初始不平衡量的轮盘在装配时通过控制不平衡量的幅值及相位角差的搭配可有效降低支承振动响应,设计后支承最大振动响应合格率由17.7%提高至97%,验证了该设计理论的可行性.     

A numerical model for bird strike on sidewall structure of an aircraft nose

In order to examine the potential of using the coupled smooth particles hydrodynamic(SPH) and finite element(FE) method to predict the dynamic responses of aircraft structures in bird strike events, bird-strike tests on the sidewall structure of an aircraft nose are carried out and numerically simulated. The bird is modeled with SPH and described by the Murnaghan equation of state, while the structure is modeled with finite elements. A coupled SPH–FE method is developed to simulate the bird-strike tests and a numerical model is established using a commercial software PAM-CRASH. The bird model shows no signs of instability and correctly modeled the break-up of the bird into particles. Finally the dynamic response such as strains in the skin is simulated and compared with test results, and the simulated deformation and fracture process of the sidewall structure is compared with images recorded by a high speed camera. Good agreement between the simulation results and test data indicates that the coupled SPH–FE method can provide a very powerful tool in predicting the dynamic responses of aircraft structures in events of bird strike.