高超声速飞行器跨流域气动力／热预测技术研究

分析了跨流域流动特点、工程背景需求、国内外研究现状,针对高超声速飞行器跨流域气动力／热预测存在的主要问题,从粘性干扰参数与克努森数搭接的跨流域模拟准则、微量天平结构优化及测力技术、红外大面积中低量值热流测量技术、流场显示与测量技术和 N-S／DSMC 自适应紧耦合数值模拟方法等方面,总结了近年来取得的研究进展,并讨论了下一步研究方向。     

不同进口截面下液力透平非定常压力脉动计算

为了研究不同进口截面对液力透平内压力脉动的影响,利用CFX软件对一单级液力透平进行非定常数值计算,通过设置监测点,计算各监测点在不同进口截面下的压力脉动,通过快速傅里叶变换将其压力脉动计算结果做相应分析,分析各监测点处压力脉动的时域和频域分布.结果表明:蜗壳内在大蜗壳进口下,随着蜗壳进口直径的增加,每个监测点处的压力逐渐增加,而在小蜗壳进口下,每个监测点处的压力逐渐减小.在距离蜗壳收缩管较远处,大蜗壳进口下的压力脉动较小,而在距离收缩管较近处,小蜗壳进口下的压力脉动较小.在叶轮内不同进口截面压力脉动的差异在同一时刻从进口到出口逐渐减小.尾水管内在小蜗壳进口下尾水管进口处的压力脉动最大.      

单级跨声速压气机进气畸变数值模拟

基于彻体力模型的基本思想,发展了一套能够反映进气畸变对风扇/压气机气动性能影响的三维数值计算程序CSAC.首先详细研究了彻体力模型的具体建模方法,然后发展了相应的三维数值计算程序.利用该程序针对某单级跨声速压气机在均匀进气下的流场进行了计算验证,计算结果与雷诺平均Navier-Stokes(RANS)计算吻合得很好,流场主要参数分布与相关实验数据也有很好的一致性.利用该程序分别计算分析了进口存在稳态周向总压畸变及周向总温畸变的全环三维畸变流场,结果表明:压气机进口畸变流场存在大尺度、强三维特征,将导致压气机总压比及稳定裕度下降.所有计算结果均显示该模型能够在降低对计算资源和工程经验依赖的同时,有效分析进气畸变对压气机特性的影响.      

基于阶跃响应的飞行器单独静、动导数数值求解方法

基于阶跃响应方法,结合刚性动网格技术,对飞行器的单独静、动导数的精细化数值计算进行了研究.以纵向为例,通过给物面施加恒定附加攻角,求解得到阶跃响应运动过程的非定常气动力,求导得到静导数.同样给物面施加恒定的俯仰角速度,并同时强迫物面平动以抵消俯仰转动产生的附加攻角影响,可由非定常气动力求导得到动导数值.分别利用NACA0012翼型和三维SACCON飞翼无人机进行了计算验证,各攻角下的静、动导数值与文献、试验结果吻合得很好,最大误差不超过5%.结论表明:基于阶跃响应的单独静、动导数直接模拟方法计算耗时仅为传统强迫振动方法的21%,效率相对较高,且可推广到横航向的动导数计算,为飞行器的稳定性研究提供参考.      

Prediction of cutting forces in ball-end milling of 2.5D C/C composites

Machining of carbon/carbon (C/C) composite materials is difficult to carry out due to its high specific stiffness, brittleness, anisotropic, non-homogeneous and low thermal conductivity, which can result in tear, burr, poor surface quality and rapid wear of cutters. Accurate and fast pre-diction of cutting forces is important for milling C/C composite materials with high quality. This paper presents an alternative cutting force model involving the influences of the directions of fiber. Based on the calculated and experimental results, the cutting forces’ coefficients of 2.5D C/C com-posites are evaluated using multiple linear regression method. Verification experiment has been car-ried out through a group of orthogonal tests. Results indicate that the proposed model is reliable and can be used to predict the cutting forces in ball-end milling of 2.5D C/C composites.     

一种基于蜂拥策略的分布式无人机编队控制方法

在无人机编队控制中,传统的主从式集中编队控制方式需要大量信息交互,对机间通信的要求较高.针对具有虚拟领航者的分布式无人机自组织编队跟踪问题,运用有界蜂拥算法对无人机模型进行求解.首先,提出了一种有界控制输入的蜂拥算法,并对算法的稳定性进行了分析;其次,对无人机进行了建模,提出了虚拟受力点的概念,并对虚拟受力点进行受力分析,将算法中的加速度转化成无人机径向速度与偏航速度的更新,以达到分布式无人机编队自组织以及跟踪虚拟领航者的目的;最后,通过仿真验证了算法和模型的有效性.     

基于响应曲面法的高速内冷铣削AISI304不锈钢铣削力

针对硬质合金刀具高速内冷铣削AISI304不锈钢时,切削力大、切削温度高及加工表面质量低的问题。基于响应曲面中心复合设计方法进行高速内冷铣削实验,建立了铣削力分量二阶回归预测模型,并进行了实验验证。对比了干式与内冷铣削后的加工表面质量,分析了铣削参数对铣削力分量的影响规律,以铣削力分量最小为目标优化了铣削参数。结果表明:进给力和径向力的预测值与实验值的误差分别为4. 77%和6. 16%;内冷铣削的Ra为0. 193～0. 327μm;对铣削力分量的影响是铣削深度转速进给量,随着铣削深度和转速的增加,进给力先升高后降低,径向力逐步增加,铣削深度与转速的交互作用对进给力和径向力的影响显著;转速11 643. 63 r/min、铣削深度1 mm、进给量0. 08 mm/r为最优铣削参数组合。     

基于RANS/LES混合方法的分离流动模拟

飞行器在大迎角、快速俯仰机动时,流场中含有大尺度、非定常的涡结构,传统雷诺平均Navier-Stokes （RANS）模型不能准确模拟流场结构,根据国际上相关研究的发展趋势,需要采用混合RANS/大涡模拟（LES）模型来对复杂分离流动进行准确模拟。本文对基于分区混合与湍流尺度混合的双重RANS/LES混合计算模型进行发展与应用。通过典型简化模型的静、动态湍流大分离流动,测试和验证所采用的脱体涡模拟（DES）类方法,重点研究改进的延迟DES （IDDES）模型在动态问题应用中的正确性和有效性,并对所采用的数值模拟方法和相应的计算软件的可靠性、鲁棒性以及精度进行了考核验证。典型算例包括超声速圆柱底部流动、跨声速方腔流动、NACA0015机翼深失速分离涡模拟等。计算表明：发展的IDDES类混合计算模型可有效解决对数层不匹配的问题;对于定态非定常分离流动,DES、DDES、IDDES等模型计算结果差别不大,随着流动的非定常特性增强,IDDES模型的优势逐渐显现;对于动态非定常分离流动,则需要采用IDDES类模型。     

用于光波纳米推力器的颗粒供应技术和光聚积技术研究

为提高光波纳米推力器在轨应用的可行性,针对与其匹配的颗粒供应技术和光聚积技术进行研究。提出整个推进系统的设计思路,通过建立理论计算和数值计算模型,分析颗粒供应技术和光聚积技术的各项核心结构参数的设计方法。计算结果表明:颗粒供应装置的正负电极内径之比(W/D)会影响正负电荷产生的总量之比,在W/D=300/322附近时,正负电荷比例接近1:1。静电诱导电压为9 V,当中和通道长度大于37.5mm时,正负颗粒可以视为完全中和。光聚积设计思路可令聚积球对光能的利用率在32.8%左右。两种相关技术的装置与推力器在结构上能够对接、在性能上可以匹配,从理论上表明了两种支撑技术的可行性。     

Multi-Sphere Method for modeling spacecraft electrostatic forces and torques

The use of electrostatic (Coulomb) actuation for formation flying is attractive because non-renewable fuel reserves are not depleted and plume impingement issues are avoided. Prior analytical electrostatic force models used for Coulomb formations assume spherical spacecraft shapes, which include mutual capacitance and induced effects. However, this framework does not capture any orientation-dependent forces or torques on generic spacecraft geometries encountered during very close operations and docking scenarios. The Multi-Sphere Method (MSM) uses a collection of finite spheres to represent a complex shape and analytically approximate the Coulomb interaction with other charged bodies. Finite element analysis software is used as a truth model to determine the optimal sphere locations and radii. The model is robust to varying system parameters such as prescribed voltages and external shape size. Using the MSM, faster-than-realtime electrostatic simulation of six degree of freedom relative spacecraft motion is feasible, which is crucial for the development of robust relative position and orientation control algorithms in local space situational awareness applications. To demonstrate this ability, the rotation of a cylindrical craft in deep space is simulated, while charge control from a neighboring spacecraft is used to de-spin the object. Using a 1 m diameter craft separated by 10 m from a 3 by 1 m cylindrical craft in deep space, a 2 °/s initial rotation rate can be removed from the cylinder within 3 days, using electric potentials up to 30 kV.