Experimental research on aero-propulsion coupling characteristics of a distributed electric propulsion aircraft

Distributed Electric Propulsion (DEP) aircraft use multiple electric motors to drive the propulsors, which gives potential benefits to aerodynamic-propulsion interaction. To investigate and quantify the aerodynamic-propulsion interaction effect of the wing section, we built a DEP demonstrator with 24 “high-lift” Electric Ducted Fans (EDFs) distributed along the wing’s trailing edge. This paper explores and compares the aero-propulsion coupling characteristics under various upstream speed, throttle, and EDF mounting surface deflection angles using a series of wind tunnel tests. We compare various lift-augmentation power conditions to the clean configuration without propulsion unit under the experiment condition of 15–25 m/s freestream flow and angles of attack from ?4° to 16°. The comparison of computational results to the experimental results verifies the effectiveness of the computational fluid dynamic analysis method and the modeling method for the DEP configuration. The results show that the EDFs can produce significant lift increment and drag reduction simultaneously, which is accordant with the potential benefit of Boundary Layer Ingestion (BLI) at low airspeed.     

TBCC燃烧室/喷管一体化壁面温度计算

基于Navier Stokes(N-S)方程组对包括隔热屏、隔热屏内外流、大气外流在内的涡轮基组合动力(TBCC)发动机燃烧室/喷管进行了一体化的气/热耦合数值模拟,考虑了燃气组分输运、辐射换热等影响,研究了其在某典型飞行状态下TBCC冲压发动机燃烧室/喷管筒体及隔热屏内外壁壁面温度、辐射换热热流及对流换热热流分布.结果表明:燃烧室/喷管筒体与对称面上下交线的壁面温度在轴向距离为0.5~2.6m内变化较小,在轴向距离为2.6~3.1m内急剧增加,在轴向距离为3.1~3.5m内急剧下降.之后,上交线筒体壁面温度沿流向减小,下交线筒体壁面温度先升高后降低.筒体壁面温度最高点在喷管下调节板收缩段,为1577K.隔热屏内壁面辐射热流在370~500kW/m2变化,上下交线处的辐射热流较外壁面的辐射热流约高300kW/m2,辐射热流沿流向先减小后增加.隔热屏外壁面辐射热流在50~200kW/m2范围内分布.      

风扇转子叶片防颤振设计技术

以某两级风扇为对象开展防颤振设计技术研究。风扇转子叶片设计中，选择了合适的展弦比，既考虑到气动性能水平，还考虑到结构质量和颤振稳定性。采用流固耦合能量法评估所设计风扇的各排转子叶片的颤振稳定性问题，并通过叶片厚度、三维造型、根尖弦长比等设计参数的调整消除颤振风险。研究结果表明:展弦比不应是方案设计阶段防颤设计唯一的关注参数；在叶尖跨声速的转速更容易发生颤振现象；较强的叶尖前缘激波会造成较强的流固耦合作用，形成复杂的气动功分布结构；叶片厚度和尖根弦长比等参数是改善叶片颤振风险的有效参数。      

转子轴系耦合振动模型一般性解析式推导与分析

基于转子受到的线性和非线性作用机理，引入线性尺度因子、非线性尺度因子和耦合强度比作为特征参量，分别构建了阻尼力和刚度力的一般表达式，进而推导出转子轴系一般形式的线性与非线性耦合的振动模型.基于仅考虑质量不平衡激励的单圆盘转子轴系，应用多尺度法求解出该方程的稳态解及瞬态解.通过对解析解的分析，揭示了线性与非线性耦合作用及响应的振动机理.通过数值计算分析了瞬态时间尺度因子对响应的影响，瞬态时间尺度因子越大，瞬态解衰减越快，越接近于稳态解.对稳态解短时傅里叶变换的幅频特性进行分析，可发现1倍频出现了非线性特征，3倍频存在双峰特征，进一步阐述了非线性尺度因子对转子轴系耦合振动的影响.      

轨控喷流干扰气动—运动一体化非定常数值模拟

针对运动条件对反作用控制喷流控制气动干扰的影响，基于雷诺平均N-S方程，建立非定常气动--运动一体化方法，通过计算流体力学（CFD）/刚体动力学（RBD）耦合求解，对一种采用轨控喷流直接力控制的锥柱裙外形进行了数值模拟，研究了干扰流场结构、力和力矩与飞行器状态随时间变化特性，分析了运动非定常计算和定常计算的对比结果以及外流参数（马赫数，攻角等）变化对气动运动特性的影响。研究结果表明：轨控喷流使飞行器运动时存在强烈的非定常特性，定常计算的法向力放大系数和干扰俯仰力矩大于运动非定常计算结果。     

一种直升机运动模态中纵横向耦合分析方法

提出了一种定量分析直升机纵横向耦合特性的方法，包括运动模态中状态量间耦合作用的幅值特性、时间特性和积分特性。幅值特性描述耦合作用的相对强弱，时间特性描述耦合作用起增强/减弱作用的时间比例，积分特性描述耦合作用引起状态量发散/收敛的快慢。将该方法应用于“美洲豹”直升机悬停状态的典型纵向振荡模态，对比分析了该运动模态纵横向分离和纵横向耦合情况下状态量之间的耦合特性。分析发现，纵横向耦合使得横向速度和滚转角速度对俯仰角速度产生耦合，耦合强度是纵向速度对俯仰角速度耦合作用的近3倍，并加快了俯仰角速度的发散。纵横向耦合显著改变了该运动模态的耦合特性，进而影响了其稳定性。      

高压涡轮机匣热固耦合下多目标优化方法

建立了包含高压涡轮(HPT)机匣基本结构在内的轴对称参数化模型,基于热固耦合变形和结构参数灵敏度分析结果,选择了灵敏度高的12个关键结构参数作为优化设计变量,采用第2代非劣排序遗传算法(NSGA-Ⅱ),开展了以机匣等效质量和挂钩处径向平均位移为目标函数的多目标优化。优化结果表明:机匣加强肋结构朝着有利换热的方向发展,其他结构朝着机匣质量减轻的方向发展；优化后模型质量及径向位移量均有所减小。      

Multi-scale simulation model of air system based on cross-dimensional data transmission method

The Secondary Air System (SAS) plays an important role in the safe operation and performance of aeroengines. The traditional 1D-3D coupling method loses information when used for secondary air systems, which affects the calculation accuracy. In this paper, a Cross-dimensional Data Transmission method (CDT) from 3D to 1D is proposed by introducing flow field uniformity into the data transmission. First, a uniformity index was established to quantify the flow field parameter distribution characteristics, and a uniformity index prediction model based on the locally weighted regression method (Lowess) was established to quickly obtain the flow field information. Then, an information selection criterion in 3D to 1D data transmission was established based on the Spearman rank correlation coefficient between the uniformity index and the accuracy of coupling calculation, and the calculation method was automatically determined according to the established criterion. Finally, a modified function was obtained by fitting the ratio of the 3D mass-average parameters to the analytical solution, which are then used to modify the selected parameters at the 1D-3D interface. Taking a typical disk cavity air system as an example, the results show that the calculation accuracy of the CDT method is greatly improved by a relative 53.88% compared with the traditional 1D-3D coupling method. Furthermore, the CDT method achieves a speedup of 2 to 3 orders of magnitude compared to the 3D calculation.     

不同透风率超大型冷却塔台风致内吸力取值

风荷载是超大型冷却塔设计的控制荷载，塔筒内部风荷载取值仅考虑了良态风工况。为研究台风作用下超大型冷却塔内吸力分布特性，采用多重嵌套的中尺度天气研究预报（Weather research and forecast,WRF）模式对台风“鲇鱼”进行高时空分辨率模拟，并借助最小二乘法优化技术拟合得到近地面三维风速剖面。以山西潞安电厂220 m世界最高冷却塔为对象，结合中-小尺度耦合模式嵌套技术对超大型冷却塔进行台风和A类地貌下大气边界层良态气候风的近地面三维风场CFD模拟。在此基础上，探讨了塔内绕流特性、能量分布、阻力系数以及风阻的差异和产生原因，对比分析了冷却塔内表面风压系数三维分布特征，最后给出台风作用下超大型冷却塔内吸力的取值建议。结果表明，采用WRF-CFD耦合模式可以有效模拟台风下超大型冷却塔近地三维风场，考虑0%、15%、30%及100%百叶窗透风率下台风致内吸力系数取值分别为-0.61、-0.36、-0.34和-0.42。     

异构多星编队的脉冲构型保持控制方法

近地轨道的双星编队通常设计具有自稳定性的编队构型参数初值，通过保持编队构型参数形成长期稳定的相对周期运动。针对编队中卫星数量增多产生的相对运动耦合问题，提出了基于Hill坐标和三角函数公式的多星相对运动分析方法。基于SAR载荷测量基线定义，结合多星编队构型参数的相对运动特性，提出了编队构型参数的设计方法，能够实现多星编队的最大有效基线组合。通过分析J2项摄动和大气阻力摄动的长期影响，研究了异构多星编队的相对运动衍化规律，提出了主从形式的脉冲偏置控制，能够有效保持针对异构多星编队设计的编队构型。通过面质比异构的四星编队控制仿真，验证了脉冲偏置控制形式下异构多星编队构型保持控制方法的有效性。