基于前馈反馈复合控制策略的高空舱高精度电液伺服控制技术

为满足高空舱飞行环境模拟控制系统电液伺服位置控制回路高精度、高响应的需求,采用系统仿真和工程实用控制系统设计与调试相结合手段,依次分析并建立了高空舱电液伺服位置控制回路的数学模型;在MatlabSimulink平台上进行了控制仿真调试与分析,表明所得到的电液伺服位置控制回路可满足高精度控制要求;在控制系统仿真分析的基础上,对实际的控制系统进行了前馈+反馈校正、串级控制等工程改进工作。经实际飞行环境模拟试验验证,工程实现后的电液伺服位置控制回路取得了理想的动态响应和位置跟踪能力,保证了高空台飞行环境模拟控制系统的过渡态调节品质和稳态调节精度。     

火箭发动机超声速过膨胀射流气动噪声特性研究

采用大涡模拟LES方法计算了火箭发动机超声速过膨胀射流形态及近场声压分布,研究了入口温度与环境温度的比值(温度比)对声场的影响;将声源分解,基于Ffowcs Williams-Hawkings (FW-H)方程获取了不同位置噪声源的远场噪声,并根据声压级频谱和湍流形态分析了超声速射流噪声的产生机理。研究表明,超声速过膨胀射流气动噪声由湍流混合噪声和宽频激波噪声组成,近场噪声源以马赫波形式向大方位角辐射中高频噪声,下游大尺度湍流向低方位角范围辐射低频噪声,声压级峰值频率随观测角度增大而升高;随温度比升高,马赫波辐射角度增大,噪声指向性发生改变。该研究可为运载火箭发动机地面试车或火箭发射段声学环境设计提供参考。     

叶盘耦合振动转/静子叶片数与节径数关系

针对航空发动机中叶盘结构的共振分析问题，通过研究气体激励力和叶盘节径型振动在转子坐标系下的数学表达形式，利用叶盘结构共振时，气体激励力需要对叶盘系统做正功的条件，推导了叶盘发生共振时，节径数与转/静子叶片数应满足的关系式dm=kNv-nNb。通过3个数值算例对上述关系式进行了阐述:从气动功和谐响应分析的角度验证了当上述关系存在时，且激励频率等于结构固有频率时，叶盘系统会发生危害共振；同时指出，当上述变量不满足上述关系时，若激励频率等于叶盘结构的固有频率，也会引起部分叶片发生较大振动的可能。      

氮气辐射强度的激波管测量与验证

超高速飞行器的热防护设计必须考虑激波层内高温气体发射与吸收的辐射能量，需要有效的辐射加热评估手段。相应飞行条件下的光谱辐射强度地面实验测量是验证数值模型和方法、理解高焓流动的重要手段。基于燃烧驱动激波管，发展辐射强度标定技术，针对富氮气环境，开展高温气体光谱辐射强度的高分辨定量化测试，掌握辐射特征，为数值验证提供基础数据。实验获得了激波速度5.70和6.20km/s条件下的气体光谱辐射强度精细结构，数据表明激波波后的非平衡过程对辐射强度存在很大影响。通过求解耦合化学反应动力学模型的Navier-Stokes方程和辐射特性模型，得到对应实验条件下的流场参数和辐射强度，计算结果和实验数据符合很好，验证了数值模拟方法。     

先进火箭仿真中心Rocstar程序概述

数值仿真是固体火箭发动机研制的一个重要手段。美国伊利诺斯大学先进火箭仿真中心开发的多物理场仿真程序Rocstar,可对固体火箭发动机工作过程进行三维多物理场耦合仿真计算,其程序代码现已开源。Rocstar由多个物理应用求解器和一套强大的集成框架组成,集成框架能够使独立运行的应用求解器在很小的改动下即可与其直接耦合。此外,集成框架还包含一系列用于多场耦合的服务工具,包括并行I/O、精确和守恒的数据传输、网格自适应、界面演化和整体并行配置。Rocstar采用MPI实现并行仿真,可在集群平台上进行大规模的仿真计算。     

小型回流燃烧室多工况碳黑分布预测

为了研究小型回流燃烧室不同条件下的工作状态,并分析其产生积碳现象的原因,采用k-ε湍流模型、EDC湍流燃烧等模型对该燃烧室多个工况进行数值计算。结果表明,燃烧室性能参数计算值与台架数据较吻合,各个状态下参数相对误差均小于1.37%。根据各工况的温度分布的变化,发现燃烧室火焰随工况降低逐渐向火焰筒头部收缩。计算了各工况蒸发管内的燃油蒸发率,发现蒸发率在低工况时明显降低。根据出口温度分布情况,计算出口温度分布系数OTDF为0.35。分析碳黑粒子的分布,发现积碳现象主要在火焰筒头部,其原因主要是燃烧不充分和冷却气膜的缺失。     

钛/铜电子束偏置焊接模拟及力学性能研究

本文研究了TC4钛合金和T2紫铜的电子束焊接模拟及接头力学性能规律。通过采用组合偏置的焊接方式,即铜侧偏置焊接完成后再在钛侧复合焊接,两道焊缝相近但不交接,该工艺方法能够大幅提升接头的拉伸强度。为了探索该过程的热力行为规律,采用有限元法对温度场云图、变形及应力分布进行了分析,并结合微观形态演变及力学性能对接头增强机制进行了阐述。复合钛侧焊接能够对原铜侧焊接的异种界面进行重熔改性,同时改善其应力集中状态。拉伸断口表明,接头为脆性解理断裂,断裂面的相组成由铜侧焊接的TiCu转化为Ti_2Cu,脆性减弱。     

高空飞行环境中液体运载火箭底部热环境研究

采用数值模拟和飞行测试验证相结合的方法对液体运载火箭高空对流/辐射耦合换热问题开展系统深入研究。基于燃气多组分输运Navier-Stokes方程、热辐射方程、Realizable k-ε两方程湍流模型，建立了高空含自由流的运载火箭燃气喷流流动模型。辐射模型采用离散坐标法(DOM)，空间离散采用二阶迎风TVD格式，对多个典型飞行高度火箭底部热流进行大型并行计算，将数值结果与试验数据进行广泛对比，验证了计算模型的精度和有效性。数值研究表明，火箭底部辐射热流在刚起飞阶段达到最大值，随着飞行高度上升，辐射热流逐渐降低，火箭底部对流热流表现为先升高后降低的趋势，并在20 km高空达到峰值。本文的预测分析方法对液体运载火箭底部热防护设计具有重要的理论意义和工程应用价值。