气动力/热与结构多场耦合试验模型方案初步设计

以多渠道、多机制交叉耦合为热防护结构特点的新一代高超声速飞行器必须采用气动力/热与结构多场耦合计算方法进行研究。目前,国外已建立较完善的耦合分析系统并用于飞行器研制,国内的中国空气动力研究与发展中心(CARDC)也已自主研发了热环境/热响应耦合计算平台(FL-CAPTER)。为验证多场耦合计算平台所用方法的有效性和计算结果的准确性,设计并开展气动力/热与结构耦合的地面试验具有十分重要的意义。本文结合气动力/热与结构多场耦合试验设计需求,以现有材料和设备能力为依托,开展了试验风洞选取、模型尺寸估算、模型材料选择、模型气动设计与模型结构设计工作。初步研究表明,模型支撑结构附近迎风面局部高温热膨胀将有利于模型前体结构产生可观的整体变形量。本文以此设计了带压缩拐角的二级压缩面结构模型,通过短时间不锈钢模型验证试验和计算对比分析初步验证了模型设计的可行性,并以此为基础预测了高温合金模型的试验结果。为下一步开展高温合金长时间风洞试验奠定了技术基础。     

对转螺旋桨流场气动干扰数值模拟

基于结构网格动态面搭接技术，通过求解三维非定常雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)方程，对单独螺旋桨(SRP)滑流流场进行了数值模拟，结果与风洞试验数据吻合良好，在此基础上深入研究了对转螺旋桨（CRP）的非定常滑流效应及前后桨之间的气动干扰现象。计算结果表明:所采用的非定常RANS方法能够良好刻画对转螺旋桨滑流流场的发展变化特征，适用于分析前后桨气动干扰特性。前后桨桨尖涡的复杂相互作用是导致对转螺旋桨气动干扰的直接原因，后桨桨尖涡对于前桨桨尖涡具有一定耗散作用。在气动干扰影响下，对转螺旋桨气动力会产生周期性波动，波动周期与螺旋桨桨叶数相关, 6×6对转螺旋桨在1个旋转周期内产生了12次波动。气流穿过对转螺旋桨会发生两次加速，因此在相同工况下，对转螺旋桨的拉力系数和功率系数相比于单独螺旋桨分别增大约1倍，效率提升约1.5%。      

浇注系统对离心铸造TiAl合金杆形件缩孔缺陷的影响

采用数值模拟方法研究杆形件直径和补缩冒口结构对离心铸造TiAl合金杆形件缩孔缺陷的影响,并根据充型和凝固温度场对影响的原因进行分析。结果表明:杆形件直径由16 mm增加到20 mm,并进一步设计成入口处直径20 mm、远端直径16 mm的锥形,杆形件补缩通道被阻塞的趋势逐渐减小,用于补缩的金属液温度提高,凝固时间逐渐增长,因而补缩效果提高,杆形件缩孔缺陷水平逐渐降低;基于杆形件的锥形设计,相比无补缩冒口的杆形件,增加环形补缩冒口,充型时金属液顺序凝固趋势减弱,凝固时用于补缩的金属液温度降低,凝固时间缩短,因而补缩效果降低,缩孔缺陷水平略有提高;增加锥形补缩冒口,充型时金属液顺序凝固趋势增强,凝固时用于补缩的金属液温度提高,凝固时间增长,因而补缩效果提高,缩孔缺陷水平降低。优选最佳设计进行了浇注实验,杆形件剖面最大缺陷孔隙率平均值与模拟实验的结果基本一致。     

基于量子行为鸽群优化的无人机紧密编队控制

随着军事、民用需求的提高和相关领域的技术推动，无人机编队协同作业已成为当今人们逐渐关注的焦点。无人机紧密编队是指无人机间侧向距离在1~2倍翼展内的编队，因其可有效改善编队中无人机的气动性能而备受瞩目。基于无人机紧密编队条件下的气动耦合效应，建立三维空间下的状态空间方程描述双机相对运动，并推导了紧密编队条件下的双机最优编队构型，在此构型下将人工势场法和编队控制相结合作为控制系统中的间接控制环，并针对基本鸽群优化算法的寻优缺陷利用量子行为规则对其进行改进，将改进后的鸽群优化算法和无人机控制量结合作为控制系统中的直接控制环，最后通过仿真对比验证了此控制系统对于紧密编队控制的有效性。     

基于多场耦合的飞行器热环境数值分析方法研究

新一代高超声速飞行器的发展给防热设计问题带来严峻挑战。根据飞行器热环境多场耦合特性,提出了一种基于多场耦合的热环境数值分析策略,并在此基础上发展了基于Navier-Stokes方程的流场CFD分析程序,通过有效的界面数据传递算法,实现了与结构有限元热分析软件的耦合,形成了基于流场与结构耦合传热的飞行器热环境多场耦合数值分析方法。以典型圆管前缘为计算模型进行了程序验证,并对稳态和非稳态飞行环境下的流场与结构耦合传热特征和规律进行了数值分析研究。结果分析表明,该方法能够有效地刻画流场与结构之间的耦合传热特征和规律,预测和分析飞行器热环境的空间和时间分布特性,从而可为防热设计的选材和优化提供可靠的参考依据和分析手段。     

基于光强的快速响应PSP动态测量技术及其应用

随着空气动力学的迅猛发展,气动部件的结构及流场越发复杂,流场非定常性产生的影响不可避免,迫切需要对流动的非定常效应进行深入认识。自20世纪90年代起,有关光学压敏涂料(PSP)的动态测压技术成为了实验空气动力学与高分子化学等领域的热点研究方向。经过近20年的发展,快速响应PSP的动态测量技术已有了突破性进步。本文从基于光强的快速响应压敏涂料、动态测量设备、PSP动态测量方法及国外已开展的一些实验研究等方面出发,系统论述了近20年来基于光强的快速响应PSP动态测量技术的发展与应用。研究结果表明,快速响应PSP动态测量技术在非定常流场测量应用中有着巨大潜力,可成为深入认识航空领域复杂动态流场的有效技术手段。     

喉部长度和扩张角对离心压气机管式扩压器影响研究

针对带楔形扩压器的高负荷离心压气机,利用数值模拟手段对其进行了研究,计算获得的离心压气机特性与试验结果符合较好。在此基础上,设计了具有不同喉部长度和扩张角的管式扩压器,利用经过校核的数值模拟手段对管式扩压器的喉部长度和扩张角进行了参数化研究。研究发现较长的喉部会使压气机设计点的性能下降,但是却可以抑制近失速点扩压器内的流动分离,喉部长度与喉部直径之比为0.5时综合性能较优;较大的扩张角会造成扩压器内流动分离,增加流动损失,扩张角由4°增加到12°时压气机效率降低了约3%。     

基于圆柱筒支撑紧缩场极坐标测试扫描系统的研制

紧缩场测试扫描系统是对紧缩场静区场进行测试、分析、寻找并排除影响紧缩场性能的干扰源及后期定期检测的关键设备。本文设计了基于圆柱筒支撑结构的紧缩场极坐标扫描架,并利用激光扫平原理设计了扫描架平面度补偿装置,实现了极坐标扫描架的快速补偿,简化了扫描架结构,提高了测试精度和测试效率。测试结果表明补偿后的扫描架平面度误差为0.032 mm,满足检测要求。     

航空发动机高压转子前轴承刚度特性分析

为了得到航空发动机高压转子前轴承刚度随发动机工作状态的变化规律,建立了该轴承的刚度分析模型,引入了轴承内、外环配合参数、离心效应、热效应以及联合载荷对轴承刚度特性的影响,数值分析了该轴承的刚度随轴承内、外环配合参数、转速、轴承工作温度及外载荷的变化规律。结果表明,轴承的径向刚度、轴向刚度和角刚度,随轴承内、外环过盈配合量增大而增大,随转速、工作温度和弯矩的增大而减小;径向力增大,轴承的径向刚度增大,轴向刚度和角刚度减小;轴向力增大,轴承的径向刚度减小,轴向刚度和角刚度增大;轴向载荷对该轴承的刚度影响最大。     

一种关于目标与安全管道相对位置估算方法

针对靶场试验安全控制中目标与安全管道位置估算的实际需求,结合靶场实时数据处理要求,提出了利用滑动窗口技术,动态载人理论弹道数据,并采用折半查找和KNN查询相结合的思想实现了目标与理论弹道最近邻点查询,完成了飞行目标与理论规划航迹间的位置等参数偏差查询。利用区间估计原理,给出了目标与安全管道相对位置估算方法,解决了传统试验中无法对目标与管道边界的接近程度进行量化的问题。