无人机用燃料电池阴极供气系统建模与控制

燃料电池因其高效、无污染、噪声小等特点，被认为是未来最具有潜力的无人机（UAV）用动力源，燃料电池阴极供气系统的控制技术是决定燃料电池系统性能和可靠性的关键。针对无人机用质子交换膜燃料电池（PEMFC）阴极供气系统，首先，考虑外界温度、压力、空气密度以及雷诺数等随高度变化的参数，建立了跨高度离心空压机模型并分析了其在不同高度下的工作特性，基于无刷直流电机反电势特征构建了高速空压机驱动电机模型。其次，通过计算燃料电池阴极氧气和氮气的动态分压获取了PEMFC电堆输出电压。设计了基于分数阶PI^λD^μ的过氧比和阴极气压控制方法，驱动电机采用有限集模型预测控制（MPC）实现快速的转矩响应，仿真结果表明设计的控制器可在无人机跨高度运行条件下实现过氧比的快速调节，同时维持阴极气压稳定，满足燃料电池阴极供气需求。     

径向孔形状对针栓式喷注器液膜下漏率的影响

为了研究径向孔形状对针栓式喷注器液膜下漏率的影响并对其进行准确预估，以径向圆孔液束的相对变形模型为基础，通过类比分析提出了矩形孔的相对变形理论模型，并考虑多喷注单元间相互影响和不同高宽比矩形孔的绕流侧边效应，首次建立了径向矩形孔的下漏率模型。通过试验及数值仿真对模型进行了验证分析，结果表明理论预估结果与数值仿真及试验结果吻合较好，也表明针对矩形孔建立的相对变形模型及下漏率模型具有较好的准确性。另外，研究表明矩形孔的下漏率除了与几何阻塞率、有效动量比及液膜厚度与液束孔宽度之比有关外，还与高宽比有关；3种不同高宽比情况下的下漏率均显著小于几何下漏率；同时下漏率随有效动量比增大而增大的趋势均较平缓。综合分析径向圆孔和3种不同高宽比矩形孔的结果发现，在径向孔横截面积及流量等工况参数完全相同的情况下，径向孔形状对下漏率有显著的影响，矩形孔的下漏率显著低于圆形孔的；矩形孔的高宽比越大，下漏率越大。实际应用中选择矩形孔更有利于控制下漏率，并可通过改变高宽比控制下漏率；同时在变工况过程中，矩形孔的下漏流量也会随着主路推进剂一起调节变化，保持下漏率变化不大，故具有较好的大范围变推力流量匹配特性。     

S弯收扩喷管流动特性数值研究

为了研究S弯收扩喷管的流动机理，数值模拟了不同喷管落压比（NPR）和S形收敛管道出口面积比（A₇₂/A₈）对S弯收扩喷管内流动的影响。结果表明：当S弯收扩喷管处于高度过膨胀状态时，随着NPR升高，非对称分离逐渐转变为对称分离，λ型激波转变为马赫盘结构，气动性能下降，推力矢量角减小；随着NPR继续上升，激波从喷管内移动到喷管出口边缘，并逐渐转变为膨胀波，气动性能上升，推力矢量角减小至0°后保持不变。在完全遮挡高温部件的低可探测准则的约束下，出口面积比A₇₂/A₈的变化主要对S弯收扩喷管收敛段的流动特性产生显著影响，体现在S弯收扩喷管内的局部加速及二次流分布。S弯收扩喷管的气动性能随着A₇₂/A₈增大而提高，但当A₇₂/A₈增大至1.8时，第一弯管道出口上壁面发生流动分离，气动性能显著下降。     

离散力学与最优控制理论在谐波减速器控制中的应用研究

为解决谐波减速器内部非线性干扰,基于离散力学理论,考虑谐波减速器固有的粘性摩擦与柔性关节特性,建立了全时域下谐波减速器的离散动力学与控制的数学模型,并针对离散时域下谐波减速器的最优时间控制问题与最优轨迹跟踪控制问题进行了研究。跟踪误差和运动轨迹分析表明:离散控制方法实现了误差为10-8rad量级的谐波减速器轨迹跟踪控制,并在具有运动约束的同时实现了最短时间到达的控制目标。     

纵向波纹隔热屏气膜冷却特性实验

针对加力燃烧室纵向波纹隔热屏气膜冷却效果开展了细致的实验研究,利用红外热像仪测量了隔热屏壁面的温度分布,分析了隔热屏板型、吹风比、开孔率等参数对气膜冷却效率的影响。实验中板型选取了平板和纵向波纹隔热屏,吹风比变化范围是0.5~3.0,开孔率变化范围是1.4%~3.7%。结果表明:相比于平板隔热屏的气膜冷却效率沿程逐渐增加,纵向波纹隔热屏的气膜冷却效率随波纹板的起伏而起伏且大于平板隔热屏;随着吹风比的增加气膜冷却效率逐渐加大,在吹风比为3.0时达到最大值;气膜冷却效率在波峰处低,波谷处高,整体上随波纹板的起伏而波动,吹风比越小,气膜冷却效率随波纹板的起伏变化越明显;高吹风比(吹风比为2.0~3.0)下,气膜冷却效率沿程变化与增幅较为缓慢;整体上,随着开孔率的增加气膜冷却效率逐渐加大,小开孔率(开孔率为1.4%、2.7%)下的气膜冷却效率相差不大,但在次流背风侧,开孔率小的气膜冷却效率要小于开孔率大的气膜冷却效率。      

基于切比雪夫混沌映射和生物识别的身份认证方案

云计算中访问控制和安全性是两大问题，且与传统的身份认证存在一定区别。利用切比雪夫多项式的半群特性、混沌特性，提出了一种基于切比雪夫混沌映射和生物识别的口令认证密钥协商方案。用户和服务器首先在云服务提供商（CSP）处进行注册，随后无需CSP的参与即可完成认证，建立会话密钥。安全性分析和性能比较表明，方案满足许多安全因素，如双向认证、用户隐私保护、多因素安全、前向安全性，即使CSP的主密钥被泄露，前向安全性也能确保用户会话密钥的机密性；此外，方案还能抵抗中间人攻击、离线口令猜测攻击和仿冒攻击等，并且支持多服务器环境中用户口令和生物特征的高效变更。      

比例与非比例加载下30CrMnSiA钢多轴高周疲劳失效分析

为了分析比例与非比例加载下,30CrMnSiA钢的多轴高周疲劳的失效规律。通过对30CrMnSiA钢材料开展比例与非比例(δ=90°)加载下的多轴高周疲劳试验,研究了应力幅比和相位差对疲劳寿命、断口特征及裂纹起裂角度的影响。试验结果表明,对于比例与非比例加载,随着应力幅比的增大,多轴疲劳寿命逐渐增加。对疲劳断口分析发现,裂纹萌生于试件表面,断口有明显的疲劳源区、扩展区和瞬断区,不同加载路径下的试件断口形式有明显差异。通过对起裂角度的分析发现,应力幅比大于0.25时表面裂纹有明显的第Ⅰ阶段向第Ⅱ阶段的转变,且第Ⅰ阶段沿着接近最大剪应力幅值平面方向扩展,第Ⅱ阶段沿着接近最大正应力平面方向扩展。此外,对典型试件的疲劳断口及表面扩展路径进行了分析,研究表明多轴疲劳试验试件裂纹的特征比值在0.3~0.5之间,且裂纹沿深度方向扩展至300 μm时占总寿命的85%以上。      

基于特征线理论的旋转爆震流场结构特征研究

特征线理论及其计算方法是气体动力学的经典理论与方法，应用于旋转爆震流场分析具有简单高效的特点。将坐标系建立在爆震波上，对旋转爆震流场进行简化，采用特征线理论并结合流场计算单元过程，建立旋转爆震流场计算模型。研究了当量比和喷注参数对氢气/空气、甲烷/空气以及辛烷/空气3种不同预混气的旋转爆震流场结构特征的影响。结果表明:爆震波高度和倾斜角度受混气当量比和喷注总温影响明显；燃料由小分子氢燃料变为大分子碳氢燃料时，爆震波高度和倾斜角度逐渐减小；混气当量比和喷注总温主要通过影响爆震波传播速度、高度和倾斜角度而影响爆震波后宏观流场特征趋势。     

考虑几何非线性的气动弹性模型缩比方法

随着飞机性能和需求的提高，大展弦比高柔性机翼逐渐成为新型飞机的主要结构形式。这类机翼具有高升阻比、大变形和重量轻等特性，几何非线性效应明显。然而机翼的大展弦比高柔性会带来更大的机翼变形，而机翼大变形则会引起相关的非线性气动弹性行为。为了评估这些非线性气动弹性行为并同时降低设计风险和成本，一般要使用缩比模型进行风洞试验以研究和确认真实飞机的气动弹性特性。基于此，首先使用了传统线性缩比方法来进行缩比，通过刚度质量耦合匹配模态响应法与刚度质量解耦匹配模态响应法这2种线性缩比方法，不断优化缩比结构的设计参数来满足目标缩比值。同时，提出一种动力学有限元模型的非线性静响应-模态协同优化方法，该方法是基于等效静态载荷法的几何非线性气动弹性模型缩比方法，通过2个不同的优化子程序分别匹配全尺寸飞机的非线性静响应和模态振型。结果表明，相比于传统线性缩比模型，考虑几何非线性的缩比模型能够更好地再现全尺寸飞机的非线性气动弹性行为。