剪切稀化非牛顿射流撞击液膜破碎直接数值模拟

液态射流撞击是液体火箭推进系统中广泛采用的一种燃料雾化方法,其破碎特征直接影响燃料最终的掺混及燃烧效率。采用直接数值模拟（DNS）工具,研究了低雷诺数（Re_l=41）和中等韦伯数（We_l=163）条件下剪切稀化非牛顿射流撞击液膜破碎的问题,着重分析了对角液膜的三维结构、破碎特征和非牛顿特性等。研究结果表明：在所研究的射流参数下,该非牛顿撞击液膜破碎属于Open Rim类别,破碎过程具有三维特性并伴随液丝与边缘的融合、液丝向液滴的转变等时域流动特征。液体的总表面积随时间不断增长,但单位表面积随液膜破碎的发生而下降,液膜扩张半角随时间逐渐增加并趋于恒定值43°,而后部液膜的长度几乎不随时间发生变化。此外,撞击液膜表现出明显的剪切稀化特性,液体内部最低黏性系数仅为零剪切黏性系数的1/5。     

一种新型弱撞击对接机构运动学分析

目前各国在轨应用的对接机构属于硬碰撞式对接机构,在此构型下两航天器在空间进行碰撞接触时撞击能量较大,并且此结构下目标飞行器的对接范围较窄。随着空间探测任务的深入,需要对对接机构提出更高层次的设计要求,因此弱撞击对接机构也将成为空间探测任务中一项重要的研究方向。本文对弱撞击对接机构运动学的正解和反解进行了研究分析,得到了相应的推导公式,并通过MATLAB软件对其进行了算例校验。求解出了对接环运动速度和执行推杆伸出速度的关系,这对弱撞击对接机构的工程研制有很大的应用价值。     

射流自由长度对凝胶推进剂撞击雾化影响的实验

为研究射流自由长度对凝胶推进剂撞击雾化的影响,建立了撞击雾化实验台,制备了煤油凝胶和水基模拟液,测试了雾化装置的喷射系数及模拟液的黏性和稳定性。分析了3种射流速度不同射流自由长度条件下的凝胶撞击雾化特性,观测了射流和撞击喷雾图像。测量了液膜破碎长度、雾化液滴粒径分布和相应的SMD(索太尔平均直径)值。研究结果表明:低速时,随着射流自由长度增大,撞击液膜的喷雾形态会发生较大变化,而高速条件下,雾化形态则基本一致。3种射流速度下,破碎长度在45~9mm之间,并随射流自由长度逐渐减小。液滴分布服从Rosin Rammler规律,并具有较高的拟合精度。均匀度指数均在3~4之间,并随射流自由长度逐渐降低,粒径均匀度降低;较高射流速度下,SMD随自由长度逐渐增大。低射流速度时,SMD随射流长度先减小后增大,射流自由长度存在一个最优值,在设定研究条件下其值为25/3。因此,在设计撞击喷嘴时,根据射流速度选取适当的自由长度值可以获得更好的雾化效果。      

风洞侧壁干扰对机翼表面霜冰的影响

采用数值模拟的方法研究了不同阻塞度下侧壁干扰对NACA0012翼型表面霜冰生长的影响。通过对流场和水滴撞击特性的研究发现:侧壁干扰会压缩来流空气,致使更多水滴跟随气流向机翼前缘汇集,增大了翼面水滴收集系数,且翼面水滴总收集量与阻塞度成正比、与液滴雷诺数成反比;同时会改变水滴的撞击方向,使水滴撞击极限和最大水收集系数的位置发生偏移。采用多步法对结冰特性的研究发现:在基准计算工况下,当阻塞度为20%时,侧壁干扰效应带来结冰量的相对附加增量约为16%;在同一阻塞度下,各时间步长内的结冰相对附加增量基本相等。提出了一种表征侧壁干扰对水滴收集影响强弱的因子,该影响因子与水滴收集相对附加增量具有较高的线性关系。      

基于欧拉法模拟旋转帽罩水滴撞击特性

基于欧拉两相流理论,对旋转帽罩水滴撞击特性进行了数值模拟。通过引入耗散函数求解水滴相无黏欧拉方程,实现了欧拉法求解三维旋转帽罩的水滴撞击特性。分析了旋转帽罩转速对水滴撞击特性的影响。发现旋转帽罩转速越大,其表面水滴撞击极限稍有减小。在典型飞行条件与气象条件下,离心力对水滴运动轨迹的影响远小于惯性力对其的影响,旋转帽罩转速对水滴撞击特性影响较小。     

弱撞击对接机构捕获系统运动空间研究

以弱撞击对接机构（LIDM）捕获系统的运动空间为研究对象,提出了影响运动空间的主要因素如驱动臂长度、转动副转角、结构框内径等对运动空间的限制。在此基础上,对捕获系统运动空间及其各截面进行了分析,并详细讨论了结构框内径对运动空间的影响,对LIDM的设计和优化具有重要意义。     

弱撞击对接机构捕获过程的传力性能分析

弱撞击对接机构(Low impact docking mechanism,LIDM)的力雅可比矩阵包含了驱动臂与负载传感环力和力矩的传递关系信息。然而,力和力矩具有不同的量纲,将雅可比矩阵分解为两个分别与力和力矩传递相关的子矩阵,在两个子矩阵的基础上,分别推导出力和力矩传递关系的数学模型,并通过计算工作空间内力和力矩传递能力的分布规律,研究LIDM力和力矩的传递性能。分析结果表明,对接机构的结构构型确定后,力和力矩传递性能呈椭球体分布,并随负载传感环沿不同路径移动,呈现不同的规律。研究结果对以LIDM为代表的空间对接机构的结构性能评价及优化具有重要的工程意义。     

NASA 二级轻气炮设备简介

随着人类航天活动日益频繁,地球轨道上空间碎片总数逐年增长。航天器表面空间碎片防护工作受到各航天大国的高度重视。航天器针对毫米级空间碎片主要采用被动防护方式。超高速撞击实验是防护方案设计工作的基础。NASA 在毫米级弹丸超高速撞击实验中采用的主要发射装置为二级轻气炮。本文对美国 NASA 和相关单位二级轻气炮设备及其未来发展趋势进行简要介绍,同时对我国相关单位超高速撞击实验设备进行分析,并对发展趋势进行讨论。     

迅猛发展的彗星探测器技术

近年来,欧美先后发射了“星尘”（Stardust）、“罗塞塔”（Rosetta）和“深度撞击”（DeepImpact）等彗星探测器。其中“星尘”成功取样,正在返回途中;“罗塞塔”将在彗星表面着陆;最举世瞩目的美国“深度撞击”探测器在2005年7月4日13：52首次成功撞击坦佩尔-1（Tempel-1）彗星,并发回了相关照片,这是人类第1次实际接触并探索彗星的空间活动。     

基于声发射的单层铝板高速撞击损伤类型识别

针对基于声发射技术的在轨航天器遭受空间碎片撞击损伤的评估问题,采用AUTODYN软件进行了弹丸超高速正撞击铝板所产生声发射波动信号的数值模拟,给出了二维模拟结果;对所得到的声发射信号进行小波重构,得到低频和高频部分的信号。通过研究低频和高频信号的峰值变化,发现第一和第二峰值幅度与撞击速度的变化具有一定的规律性,通过低频第二峰值幅度与第一峰值幅度比值将高速撞击损伤模式分为成坑、锥形穿孔和圆柱形穿孔三种类型。