100 kWe级空间快堆核电源系统仿真平台开发与应用

空间核反应堆电源作为一种具有竞争力的空间电源方案,正逐渐受到关注及应用。本文针对一个100 kWe级锂冷快堆耦合布雷顿循环的空间堆核动力系统方案,修改了RELAP5程序中的物性程序、换热模型,程序中的中子动力学模块使用蒙特卡洛方法计算快堆物理参数与堆芯控制调节参数,由此集成并建立一个空间快堆核动力系统综合仿真平台,应用该平台对100 kWe级空间堆核动力系统进行了稳态模拟与事故分析。结果表明:在瞬态发生后系统各参数变化符合预期,验证了各部件及控制系统的功能性及有效性;同时,还初步进行了仿真平台用于100 kWe级空间反应堆核动力系统设备的设计优化的实践,为空间快堆设计与安全分析提供了技术储备。     

跨介质航行器流体动力外形仿生设计

跨介质航行器是一种可在空中与水中两栖巡航并能自由穿越水气界面的新概念海空两栖无人运动平台,需要具备良好的入水和出水性能及较小的水下流体阻力。采用两种生物组合仿生的设计思想,利用全自动三维影像扫描仪获取具有优良入水性能的翠鸟头部和龙虱身体的形体特征点云数据,应用傅立叶级数拟合方法拟合特征曲线,设计了一种跨介质航行器流体动力外形,为减小航行器入水冲击载荷、降低水下航行阻力提供了设计方案。     

基于多节点热网络法的航空发动机主轴轴承温度场分析

航空发动机主轴轴承温度场分析是发动机润滑系统热分析的关键。针对传统简单节点热网络法中轴承温度节点设置过于简化、人为设置轴承生热分配比例等问题，提出改进的多节点热网络法。基于Hertz热扩散理论，将轴承三元件分别划分为接触表面与主体两个节点，并以Hertz扩散热阻连接；轴承接触区设置油膜节点，加载轴承生热载荷，节点与轴承接触面之间通过油膜热阻连接；构建多节点轴承热网络模型，获得轴承内部更细致的温度场分布。研究表明，轴承表面温度显著高于其内部主体结构温度，而接触区对应的两个接触面之间也存在明显的温度差异，使用本文建立的多节点热网络法对滑油出口温度的计算误差不超过7%。     

基于实验设计和生死单元技术的时变质量杆件轴向振动问题研究

为研究固体火箭轴向振动问题,将火箭体系简化为时变质量轴向振动杆件。应用生死单元技术对时变质量杆件指定区域内均布质量的损失进行模拟。应用参数化方法将杆件的弹性模量及指定区域内均布质量线密度进行参数化,应用拉丁超立方抽样方法 (LHS)及平面蒙特卡洛抽样方法 (PMC)对时变质量杆件与恒定质量杆件的轴向振动问题进行2因素50水平实验设计,批量计算了不同工况下的杆件轴向振动响应。计算结果表明:基于实验设计和生死单元技术的参数化研究方法可以高效地对时变质量结构动力响应问题进行研究。应用LHS及PMC对杆件轴向振动问题进行研究时,可以得到与应用完备实验对杆件轴向振动问题进行研究时所得结论相类似的定性结论。部分工况下,恒定质量杆件的最大轴向振动响应明显小于时变质量杆件的最大轴向振动响应。依据恒定质量体系动力响应特性对箭体进行设计时,无法保证箭体及箭载设备的安全性。     

300 MVA脉冲发电机组滑差方式起动过程研究

介绍了300 MVA脉冲发电机组的滑差装置。对机组采取滑差方式的起动过程进行了分析和等效建模。根据机组实际起动过程电气波形,利用非线性规划模型,建立了滑差装置液体电阻等效仿真模型,并代入机组参数对起动过程进行仿真,仿真结果和实际波形吻合,验证了模型的正确性。在此基础上,为了使机组的转速达到额定转速,提出在滑差装置液体电阻低位时并入两级固体金属电阻后短接的方案,给出了两级固体金属电阻的阻值等理论参数,并通过仿真验证了方案的可行性。建立的仿真模型可以作为研究不同参数、不同控制策略下的机组起动过程动态特性的重要工具。     

热障涂层在涡轮叶片应用中的热防护有效性

建立了含热障涂层的涡轮叶片简化传热模型,通过理论推导建立了热障涂层的有效性判据,并基于此进行了热防护有效性分析。理论分析与数值实验表明:由热障涂层带来的复合传热表面传热系数的变化会显著影响热障涂层的热防护效果；在发动机典型工况下,对于处于高温区的高压涡轮叶片前缘处,热障涂层引起的复合传热表面传热系数变化率最大值的范围为1.25%~10.83%以满足热防护有效性要求。在工程中应特别注意由于热障涂层的应用带来的复合传热表面传热系数的变化,否则会导致热防护失效,甚至产生反效果。      

中介轴承外圈故障动力学建模及仿真分析

为了研究航空发动机中介轴承故障特征,基于Hertz非线性接触理论,建立了一种考虑时变位移激励的4自由度中介轴承外圈故障动力学模型。采用双转子试验台对中介轴承外圈故障进行实验模拟,实验结果和动力学模型数值求解结果一致,验证了所建立模型的准确性。采用动力学模型仿真分析了中介轴承外圈存在缺陷情况的振动响应。研究了中介轴承振动方根幅值、波形因子、脉冲因子、峰值因子和峭度因子随缺陷大小、径向载荷的变化规律。结果表明:随着缺陷尺寸或径向载荷增大,中介轴承振动方根幅值呈增大趋势。脉冲因子、峰值因子和峭度因子等无量纲参数随着缺陷尺寸增加,先增大后减小。随着径向载荷增加,以上三个无量纲参数呈增大趋势。同时,证明方根幅值、脉冲因子、峰值因子和峭度因子等特征参数对中介轴承外圈故障敏感。     

半球谐振陀螺全角模式控制技术研究

介绍了半球谐振陀螺全角模式的工作机理及其技术特点。对全角模式下振型的控制进行了理论分析,采用乘法相干解调对陀螺振型参数进行提取,并采用参数激励方法对谐振子进行驱动和控制。设计了数字电路进行实验,结果表明该全角模式控制技术实现了半球谐振陀螺的角速率积分功能,能够0°～360°全角度敏感输出,测得的角速度测量值超过300(°)/s,角度测量线性度优于10~(-4),与传统的力平衡模式相比,半球谐振陀螺的动态特性得到大幅提升。     

基于点云数据的发动机管路最小间距计算方案

为检测整机发动机管路是否满足最小间距的设计要求,提出了一种基于点云数据的发动机管路最小间距计算方案,方案包含5个步骤:①从点云数据中划分出不同管路的数据;②基于管路点云数据的空间分布构造等间隔栅格,计算栅格中心点作为管路的趋势线数据;③在管路各趋势线数据点位置上构造垂直平面,将管路点云数据投影到最近的垂直平面上,获得各个垂直平面上呈圆弧状分布的投影点数据;④对各垂直平面上的投影点数据进行最小二乘圆拟合,得到拟合圆圆心及其半径值,将拟合圆圆心作为管路中心线数据;⑤采用遍历法计算两条管路中心线数据的最小间距,中心线最小间距分别减去两条管路的半径值则得到两条管路的表面最小间距。通过12条管路验证了方案的准确度。实验结果表明:管路最小间距偏差在-0.35~0.46mm之间,管路半径偏差在-0.08~0.22mm之间。该方案的实施有助于管路间距数字化检测的实现,且方案的计算结果具有较好的鲁棒性。      

采用不同建表方法的火焰面模型在燃烧室中的应用研究

为加深对航空发动机燃烧室中湍流燃烧过程的理解,采用不同建表方法的火焰面模型对航空发动机模型燃烧室内的湍流燃烧过程进行数值模拟,包括层流火焰面数据库的构建和反应进度变量的PDF类型两个方面。其中,层流火焰面数据库的构造方法包括基于扩散火焰的FPV和基于预混火焰的FGM模型,反应进度变量的PDF类型包括δ和β分布。LISA和KHRT模型分别用于模拟液膜和液滴的破碎过程,非平衡Langmuir-Knudsen模型用于模拟液滴的蒸发过程。LISA模型得到的液膜破碎距离约为4.6mm,液滴直径在文氏管出口下游迅速减小到10μm左右,并在头部出口下游附近完全蒸发。通过与相干反斯托克斯喇曼散射(CARS)和可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)测量温度的对比,验证了FPV和FGM模型的精度,并表明在流动变化较大的位置FPV模型具有更高的精度,而其他位置FGM模型具有更高的精度,采用β分布作为反应进度变量PDF的模型,可以有效提高温度的预测进度,而且主燃区内的误差基本都在5%以内。此外采用β分布作为反应进度变量PDF的FGM模型,可以更好地描述未燃混合物被回流燃气点火的过程,而且反应进度变量的PDF类型比层流火焰面数据库构建方法的影响更为显著。