基于多学科参数化建模和灵敏度分析的飞行器分级优化设计方法

提出一种将飞行器参数化建模、灵敏度分析与气动/隐身综合优化设计相结合的方法.该方法的流程为:(1)建立面向多学科设计的参数化模型,提取分级参数;(2)对分级参数进行灵敏度分析,筛选设计变量;(3)基于分级优化流程,应用多目标优化算法进行飞行器气动/隐身综合优化设计.以一个四尾翼布局飞行器气动/隐身综合优化设计为例,阐述流程的实现过程,结果表明这种方法具有如下优点:(1)多学科参数化建模为气动和隐身性能分析提供统一的参数化模型;(2)使用灵敏度分析工具对分级设计参数进行筛选,精简优化设计任务;(3)基于分级参数和灵敏度分析进行分级优化设计,优化适应值提高56.1%,耗时减少57.02%.     

等离子体鞘套对C波段通信信号传输影响的试验

飞行器在稠密大气层超音速飞行时,由于其周围形成等离子体鞘套对通信信号的屏蔽或能量大幅度衰减效应,可使飞行器与地面间通信产生中断.以等离子体鞘套对通信信号透射相位改变和能量吸收为基本出发点,以高温激波管试验装置产生的、生存时间为几百微秒量级的等离子体鞘套为研究对象,利用四进制相移键控（QPSK,Quaternary Phase Shift Keying）调制、载波频率为7.5GHz的信号生成与测量系统获取有无等离子体鞘套时信号相位特征、眼图特征、图像传输等的对比试验结果,利用矢量网络分析系统E8362B获取了有无等离子体鞘套时透射能量衰减对比试验结果.试验结果不仅进一步证明了等离子体鞘套对通信信号能量大幅度衰减将不同程度影响飞行器与地面的正常通信;同时表明等离子体鞘套能够使QPSK信号相位特征产生改变,从而在信号解调解码后眼图特征产生严重畸变,通信系统误码率P_e 大大提高,最终导致接收端无法复现发送端发送的原始信息.     

粒子图像测速技术在马赫数4.O流场测试中的应用

介绍了上海交通大学多马赫数高速风洞中应用PIV测试技术开展马赫数4.0流场测试的情况.为满足超声速流场高速瞬时的测试要求,实验中选择了合适的示踪粒子和布撒技术.首先介绍了马赫数4.0来流条件下自由来流流场PIV测试情况,实验结果表明喷管出口处速度矢量场平行喷管轴线方向且分布均匀.其次对尖劈斜激波流场进行了PIV测量并讨论了示踪粒子跨越激波的迟滞特性,结果均符合斜激波理论.研究中还测试了拐角模型流场,从PIV图像中可清晰看到激波边界层干扰等复杂流场结构.因此,PIV技术可成为一种有效的超声速流场测试技术.     

基于稀疏网格配置方法的超燃冲压发动机高维不确定性量化

为了定量化的评估和研究随机不确定性对超燃冲压发动机性能评估及优化设计可能带来的影响及其规律特征,本文基于高斯过程描述发动机工作状态及来流环境等控制参数随机误差,建立由自由来流条件、进气道压缩系统以及燃烧加热等构成的发动机输入边界不确定性表征。耦合全局敏感度分析、稀疏网格技术、概率配置方法及等压燃烧热力学分析模型,提出了面向超燃冲压发动机高维不确定性量化方法,研究量化了上述随机不确定性输入对典型超燃冲压发动机性能的影响及其不确定性传递特征。结果表明：马赫数6.0巡航条件下,发动机的比冲对进气道的压缩过程最为敏感,占比达到65%~70%,而对燃烧加热的敏感性最低,进气道压缩系统的初始压缩激波以及来流马赫数对于整个超燃冲压发动机的比推力敏感性要显著高于其他输入因素;随着燃烧室入口马赫数由2.0增大到3.0,单一因素存在5%不确定性导致的发动机比冲性能评估的不确定度由最小的5.5%快速放大到约7.63%,系统朝着不稳定的方向发展,多种随机不确定性共同作用下的发动机性能不确定性传递存在一定的耦合效应;高速进气道正常工作需要处理的空气动能与外部注入的燃料热能之比随飞行马赫数增加呈现近似2次方指数型增长,从能量流视角开展进一步的分析研究将非常有助于深度理解超燃冲压发动机性能不确定性的传递行为。     

基于知识工程的钣金快速工艺设计系统开发

介绍了国内外现代民用飞机快速研制的实际需求,参考国外航空制造企业的经验和国内飞机钣金专业技术在知识工程方面的研究进展,提出了以知识工程技术为核心,以数值推理为手段,建立钣金快速工艺设计系统的总体思路与技术途径,并通过专家知识库构建和系统软件开发,建立基于知识工程的钣金快速工艺设计系统。通过在民用飞机研制中的应用,批量、自动实现了钣金零件的工艺性分析、工序设计,自动生成工艺分析报告、制造大纲、数控代码,大幅度提高民用飞机研制的工艺设计效率,降低技术人员的劳动强度。     

涡环物理特征的研究

通过数值模拟涡环的形成,进而采用基于涡环的随体坐标系下的流函数方法确定涡环的边界,分析不同形成时间(活塞冲程/活塞直径)涡环的物理特征参数(涡环的体积、半径、能量等参数)的变化。通过与实验结果和Slug模型的理论分析结果做对比,该方法能合理地确定涡环的边界和其它物理特征参数。进一步研究中发现当形成时间小于4(此时涡环发生夹止)时,涡环的涡核半径随形成时间的增加而增加,夹带能力在下降,而当形成时间大于4后,涡环的涡核半径不再进一步增加,并且夹带能力开始增大。     

加力燃烧室流场计算及其隔热屏屈曲分析

采用有限元方法对加力燃烧室隔热屏进行屈曲分析，通过对临界载荷与屈曲模态的计算，对隔热层两种不同结构进行了对比，分析结果与试车结果相符。屈曲分析所需的气动和热负荷通过加力燃烧室流场及筒体和隔热屏壁温计算获得，计算结果与实验结果一致，表明本计算方法可供加力室隔热屏初步设计用。     

大粒径过冷水溢流结冰的翼型气动影响分析

大粒径过冷水滴超出了适航条例25部附录C的范围,撞击在机翼表面后可形成溢流脊状冰,危害飞行安全,但目前对于溢流结冰的气动性能影响尚未研究清楚。采用结合雷诺应力模型的数值方法,计算了NACA23012m的溢流结冰翼型的最大升力系数和失速迎角,与Lee的实验结果符合较好,证明了该方法可用于分析溢流结冰翼型引发的流场分离。针对溢流冰脊对不同翼型影响程度差别较大的特点,对大型客机机翼超临界翼型及平尾翼型上的溢流积冰气动力进行计算,得到结论:超临界翼型在受到溢流冰脊影响时提前发生气动分离,气动性能大幅下降;平尾翼型受溢流冰脊影响较小,在大迎角下流动分离区减小。研究内容对大型客机的设计与适航审定具有一定指导意义。     

基于全局线性稳定性分析的翼尖双涡不稳定特征演化机理

相比于机翼产生的孤立翼尖涡，加装小翼之后的翼尖涡表现出双涡甚至多涡结构，并且呈现出更加复杂的不稳定特征。为揭示翼尖双涡结构不稳定特征及其演化机理，采用体视粒子图像测速（SPIV）技术和全局线性稳定性分析（LAS）方法对不同雷诺数和攻角下带双叉弯刀小翼的M6机翼产生的翼尖涡结构在尾迹区的不稳定特征进行研究。试验结果表明，对称布置的双叉弯刀小翼产生的翼尖涡包含上/下小翼产生的主涡（上/下主涡）结构，两者构成近似等强度的同转涡对，在相互靠近的同时以20 rad/s的角速度相互缠绕。对上/下主涡瞬时涡核位置的统计分析表明，翼尖涡摇摆幅值随流向位置逐渐增大，随雷诺数的增加而增大，随攻角的增加先增大后减小。对16倍弦长的尾迹截面处的翼尖双涡结构进行全局时间稳定性分析，不同工况下，上/下主涡最不稳定模态（模态P/模态S）的稳定性曲线变化规律与摇摆幅值的变化规律相一致，表明翼尖涡的摇摆源自于其内在的不稳定性特征。增加流向扰动波数，发现模态P切向波数逐渐增加；而模态S则是径向波数逐渐增加。不同工况下，模态P的切向波数为5~6，扰动波数分布在[2.75，5]的区间内，所对应的不稳定放大率均大于模态S，而不稳定放大率最大的模态扰动范围作用在上主涡的整个涡核区域，表明这种大切向波数的扰动模态在翼尖涡流控中的潜在价值，也意味着加装小翼会增加涡结构的个数，增强不稳定性的发展，有助于翼尖涡的快速失稳衰减。     

气动热数值模拟中壁面热流后处理方法

针对气动热数值模拟中壁面热流后处理方法进行了系统的数值研究,提出了一种有别于常规微分法和积分法的壁面热流后处理方法.通过3种算例进行了对比分析,结果表明:即使在流场参数相同情况下,采用不同的壁面热流后处理方法计算的热流结果也会有较大差异,且表现出不同的网格依赖性.微分法对网格的依赖性较大,单纯提高差分精度不一定能够减弱网格依赖性和提高计算精度,还与近壁处网格分布密切相关;积分法从能量平衡积分方程出发,极大地减弱了网格依赖性,具有较高的计算精度.所提出方法具有与积分法相当的网格依赖性和计算精度,尤其在驻点区域,其网格依赖性更弱于积分法,且计算简单,提高了计算效率.