各向异性网格自适应计算在超燃模拟中的应用

采用各向异性网格自适应求解技术,将其应用于DLR超燃冲压发动机燃烧室中的超燃模拟.开展了3个算例,包括采用滑移壁面条件的燃烧室冷流场模拟、采用无滑移壁面条件的冷流场模拟及采用无滑移壁面条件的反应流模拟.模拟中,各向异性网格自适应计算捕捉到了如激波、射流、边界层、火焰面等具有各向异性特征的大梯度区域,并利用各向异性网格进行了很好的加密.对比利用各向同性网格的初始流场计算,各向异性网格自适应计算使基于滑移条件、无滑移条件的冷流计算及反应流计算的网格单元数量分别下降了36.2%,36.4%和36.8%,有效降低了计算规模,而且流场大梯度区域的计算结果更准确,辨析度更好.结果表明:对于像超燃这类具有各向异性特征的问题,各向异性网格系统比各向同性网格系统有更好的计算效率及准确性,同时也表明基于Mach数场构造的各向异性网格系统可以有效应用于超燃计算.      

展开式月球基地热防护结构方案研究

建设月球基地是人类探测、开发和殖民外太空的第一步,也是最重要的一步。设计了一种新型的展开式月球基地方案,由空间可展开桁架结构与柔性热防护层合薄膜组成。设计了可展开桁架结构的9组拓扑方案和层合薄膜的7组设计方案,进行结构设计方案和强度、刚度与稳态热分析,确定最优的设计方案。针对展开式月球基地的最优设计方案,分析了整体结构性能,包括静力分析、模态分析及3种工况下的稳态热分析。分析结果表明:所设计的最优方案具有较好的结构力学性能和热防护性能,为月球基地的方案选型、结构设计与热防护系统设计提供了技术支持。     

基于特征的流场数据挖掘

将数据挖掘技术应用于流场分析,有可能挖掘出常规数值方法难以发现的复杂流动规律。流场数据与传统数据库数据不同,通常组织为不规则的空间离散点和单元。为建立流场数据挖掘的统一范式,提出了基于特征的流场数据挖掘流程,并设计了两类相应的数据模型组织方式:邻域时空盒模型和连接图模型。使用该框架,对特定Rayleigh-Benard对流现象的数值计算结果进行了关联规则分析。其中涡特征提取使用λ2准则,关联规则提取使用Apriori算法。实验挖掘到了一些非平凡的流场规则,证明了该方法的有效性。     

基于驻涡燃烧室的贫油熄火经验关系式初探

 驻涡燃烧室（TVC）与传统旋流燃烧室相比采用不同稳焰方式。在前期试验研究的基础上对其贫油熄火(LBO)性能进行归纳总结,参考并与Lefebvre基于化学反应的贫油熄火经验关系式相比较,提出适用于采用煤油为燃料、蒸发管方式供油的驻涡燃烧室的贫油熄火经验关系式。针对驻涡燃烧室提出的贫油熄火经验关系式包含了蒸发管雾化性能、主流气流量和凹腔卷吸气流量等因素,对比经验关系式的预测结果与试验结果,最大误差在15%以内。     

采用移动粒子法对蒸发管结构优化

采用数值模拟方法研究在驻涡燃烧室试验中出现的部分燃油在外环冷却腔中燃烧的现象,分析导致过低的燃烧效率的原因,并通过优化设计对此现象加以解决.通过移动粒子半隐式方法的计算,结果基本还原了燃油回溅现象,查找出蒸发管结构设计中直段长度过短,并对蒸发管直段结构进行优化加长.在结构优化后的计算中,燃油回溅现象已经得到了很好的抑制,计算溅出的粒子由总数的50%降低至10%左右;试验结果得到的温升法燃烧效率也相应的由50%左右上升至80%～90%,从而验证了优化设计的正确性.     

一种高阶精度大涡模拟技术用于激波/火焰相互作用

基于Smagorinsky亚格子模型和增厚火焰技术,开发了一种高阶精度的反应流大涡模拟求解器,运用于数值研究边界层对激波与火焰相互作用的影响。该求解器的核心在于加入了基于超黏性的激波捕捉技术和时空三阶精度的两步Taylor-Galerkin紧致（TTGC）有限元格式,并通过对一维Shu-Osher问题和二维激波/气泡相互作用问题的计算,验证了求解器对激波、接触间断和湍流脉动等流动细节的捕捉精度,计算结果与实验数据吻合良好。通过对激波管内激波、火焰与边界层相互作用问题的数值模拟,发现由于激波与边界层的相互作用会产生不稳定的激波分叉现象,激波三分叉点传播速度的发展经历了水平匀速运动、小斜率线性增长和大斜率迅速增长3个阶段,由此揭示了激波分叉促进火焰加速的机理。当火焰面传入激波分叉区后,流场不均匀的回流区起到了稳定火焰的作用,一方面分叉结构内火焰面能够为激波的运动持续地供应热量,另一方面局部超声速区域为火焰的快速传播提供动力,使其能紧跟激波。通过对比相同条件下甲烷和乙烯燃烧的数值结果,发现两者爆震点触发的位置都出现在马赫杆后面,热量释放率的变化趋势也大致相同,但乙烯出现爆震的时间比甲烷早。     

基于移动粒子半隐式方法的旋流液膜破碎过程模拟

为实现旋流初始雾化中液膜破碎过程的直接数值模拟,基于GPU (Graphics processing unit)加速和移动粒子半隐式方法 (Moving particle semi-implicit method, MPS),开发了离心式喷嘴液膜破碎过程的并行加速数值模拟方法与程序,模拟了喷雾场三维形态特征和初始雾化破碎过程。模拟结果成功捕捉到了液膜形成、液膜破碎成液丝继而破碎成液滴的瞬态过程。模拟得到的雾化破碎过程与实验拍摄结果基本吻合。模拟了不同射流速度下的旋流液膜破碎过程,模拟得到的液膜初始破碎长度与经验公式计算结果趋势一致,二者吻合较好,最大误差为24.2%,模拟得到的液膜半锥角与实验值较为吻合,误差为10.6%。表明开发的模拟方法与程序的准确性,为后续离心式喷嘴的液膜雾化过程及雾化特性研究打下基础。     

文氏管对旋流流场影响的数值研究

为了研究文氏管对旋流流场的影响,将文氏管+套筒组合的旋流器,通过与无文氏管的旋流器、带内文氏管的旋流器和带外套筒的旋流器这三种结构的性能对比发现,文氏管不仅对旋转射流起到过渡作用,使速度场周向分布均匀,而且对射流速度大小起到一定的调节作用;文氏管的存在可以使流场局部湍动能增大,但因文氏管结构的差异会造成旋流强度不同程度的变化,引起回流区尺寸变化;文氏管+套筒组合的旋流器不仅能提供较强的旋流流场,使火焰筒内回流区面积较大,而且对燃烧室进气压力的调节范围也较广,一定范围内能保证流场结构的稳定;此外,套筒扩张角的增大能促进回流区的径向扩张,使回流区宽度增大;存在一个临界的内文氏管扩张角57°,使文氏管+套筒组合的旋流器流场回流区结构出现分离,形成两个独立的回流区。     

基于知识的翻边工艺设计支持系统

钣金零件是组成飞机机体的主要部分,为了提高钣金工艺设计的质量与效率,实现知识的重用和共享,对翻边工艺设计的智能化、知识获取技术进行了研究。根据翻边成形受力状态的不同,提出了翻边件的特征表示方法,总结了3种翻边组合模式,用于建立相应的设计模块;提出了面向实验和有限元数据的知识获取方法,将隐式知识从数据中提取出来,构建知识库,支持系统的智能设计。根据提出的方法,结合CAE模拟,建立翻边工艺设计支持系统,具体实际事例表明所建立的系统提高了设计的质量和效率。     

充气式月球基地防护结构技术综述

综述了充气式月球基地防护结构技术,包括总体设计要求和关键设计要点、柔性热防护结构的服役环境、功能需求、设计方法、材料选用等。并从结构冲击定位和强度分析、破坏响应分析、系统组成分析和自修复材料等方面,指出了对结构进行健康监测的必要性。介绍了现有的地面测试技术,包括热防护材料性能测试、展开动力学性能测试和太空环境模拟技术等,最后对防护结构技术的发展方向进行了展望。