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。     

燃油离心泵多目标优化设计及仿真分析

针对燃油离心泵高效、高抗汽蚀优化设计问题,进行了基于损失模型和SQP算法下的多目标优化设计并进行了仿真应用。首先,考虑叶轮、蜗壳等通流部件内的水利损失、容积损失以及机械损失,建立表征离心泵效率的综合损失模型；结合基于必须汽蚀余量计算下的汽蚀表征函数以确定离心泵多目标函数。进而,利用SQP算法构造合理的适应度函数,结合约束条件确定离心泵多目标优化设计的数学模型。其次,对某型燃油离心泵进行基于SQP算法的优化设计并与其他常用优化算法进行对比。可以看到：各优化算法的最优结果几乎相似,但SQP算法对多维非线性方程组优化求解所用的迭代步数相对较少。最后,利用CFD技术进行仿真及外特性预测,以验证基于SQP算法下燃油离心泵多目标优化设计的有效性。结果表明：相比传统方法设计的原型离心泵,基于SQP算法优化的离心泵内流场压力分布相对均匀,流动损失更低,且进口流动有利于抗汽蚀性能；从外特性结果来看,基于SQP算法优化的离心泵高效工作区域相对宽广,必须汽蚀余量相对较低,抗汽蚀性能有所改善。     

Effect of scavenge port angles on flow distribution and performance of swirl-loop scavenging in 2-stroke aircraft diesel engine

Swirl-Loop Scavenging (SLS) improves the performance of 2-stroke aircraft diesel engine because the involved swirl may not only benefit the scavenging process, but also facilitate the fuel atomization and combustion. The arrangement of scavenge port angles greatly influences in-cylinder flow distribution and swirl intensity, as well as the performance of the SLS engine. However, the mechanism of the effect and visualization experiment are rarely mentioned in the literature. To further investigate the SLS, Particle Image Velocimetry (PIV) experiment and Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation are adopted to obtain its swirl distribution characteristics, and the effect of port angles on scavenging performance is discussed based on engine fired cycle simulation. The results illustrate that Reynolds Stress Turbulence model is accurate enough for in-cylinder flow simulation. Tangential and axial velocity distribution of the flow, as well as the scavenging performance, are mainly determined by geometric scavenge port angles α_geom and β_geom. For reinforcement of scavenging on cross-sections and meridian planes, α_geom value of 27° and β_geom value of 60° are preferred, under which the scavenging efficiency reaches as high as 73.7%. Excessive swirl intensity has a negative effect on SLS performance, which should be controlled to a proper extent.     

流量调节器管路系统自激振荡特性研究

流量调节器管路系统在小流量大压降工况下会出现低频自激振荡现象。为了深入认识自激振荡产生机理，结合某稳流型流量调节器及管路系统，基于流量调节器弹簧振子动力学模型开展数值仿真研究。数值仿真得出自激振荡频率为94Hz，与发动机试验结果一致。分析了流量调节器结构参数对系统稳定性的影响作用，三角形滑阀节流口能够抑制管路系统自激振荡。自激振荡产生机理是液动力随滑阀节流口型面振荡，并对管路系统形成正反馈作用，当流量调节器综合刚度系数<0时，管路系统就失稳产生振荡。某流量调节器的负载特性试验表明，随着流量调节器压降升高，管路系统稳定性变差。仿真获得的幅频特性，稳定边界与试验结果一致。     

涡轮基组合动力与火箭的耦合特性分析及匹配优化设计

基于高斯伪谱航迹优化方法，建立了"火箭辅助型涡轮基组合动力"的飞行器/推进系统匹配分析方法，针对地面水平起降、以马赫数5巡航的高超声速飞行器，以巡航航程最远为目标，完成了涡轮基组合动力（TBCC）与火箭的耦合特性分析及匹配优化设计。研究结果表明：对于可行的TBCC方案（起飞推重比为1.0），引入合适推力的火箭有助于提升加速爬升段的总效率并降低质量消耗，且对巡航航程有着一定的提升（4%起飞重量推力火箭可增加航程0.97%）；对于不可行的TBCC方案（起飞推重比为0.8），引入火箭不仅可实现推进系统方案的收敛，且其巡航航程相比可行的TBCC方案最多可增加7.9%。考虑到TBCC较大的"死重"和较低的单位迎面推力对巡航性能的不利影响，结构质量占比为25%的巡航型飞行器建议采用"13%起飞重量推力火箭辅助起飞推重比为0.7的TBCC "推进系统。相比之下，结构质量占比为55%的加速型飞行器建议采用" 5%起飞重量推力火箭辅助起飞推重比为0.98的TBCC"推进系统。     

燃气轮机周向拉杆转子连接刚度对转子振动特性影响的研究

为研究燃气轮机周向分布式拉杆转子轮盘间存在的连接刚度对轴系转子振动特性产生的影响，本文提出一种基于六自由度的弹簧单元等效方法；首先将轮盘接触刚度与拉杆弯曲刚度同时等效进连接界面，便于使用一维梁单元求解其临界转速与振动响应变化，验证其与全三维有限元法吻合度在3％以内；然后改写了非线性动力学方程，采用谐波平衡法对其进行求解，使用经典Newmark方法验证其准确性；最后使用该等效方法计算了某模拟转子连接刚度对其临界转速、响应特性、非线性特性等的影响。计算结果表明：当连接面剪切刚度与弯曲刚度减小3个数量级，均造成了临界转速的降低和振动响应的提高，而其影响程度可由各阶振型大致推测，且响应幅值受剪切刚度影响较大；使用临界转速趋于收敛时的连接刚度与试验值的对比误差小于2％，较连续模型提升显著；在连接刚度各向异性时，每一阶临界转速均出现两个响应峰值，轴心轨迹变成椭圆；考虑刚度随位移变化（非线性刚度）后，转子的响应峰值发生“歪扭”特性，且该峰值特征随不平衡量、无量纲阻尼等因素变化而呈现“波浪形”变化。     

弹载变转速定量泵高动态压力控制特性分析

传统弹载电液伺服系统的液压能源采用有刷直流电机驱动恒压变量泵的方式，泵源压力在导弹飞行过程中设定值恒定，但在平飞段过程长、负载小，对能源压力需求低，造成弹上能源总利用率不高的问题，提出无刷直流电机驱动小排量液压泵的压力控制泵源的设计，在低气动负载阶段适当降低系统压力，进而降低节流损失与泄漏量，提高能量利用率。分析了变转速定量泵的流量压力特性曲线，通过建立基于变转速压力控制泵源的位置电液伺服系统数学模型与仿真模型，分析了变转速定量泵压力控制系统在典型工况下的位置跟踪、系统压力变化与能量利用效率，验证了压力控制系统能够在导弹平飞段保证位置伺服系统跟踪正常的前提下，能有效提高系统效率，证明了变转速定量泵压力控制系统的有效性与可行性。     

飞机高升力系统扭力管旋转角度测试方法

在飞机地面模拟试验环境下需要测试高升力系统襟翼扭力管旋转角度。由于扭力管属于系统试验件,在不改变试验环境构型的情况下不可截断或更换安装用于测试扭力管旋转角度的旋转编码器。本文利用同步轮法实现了在不破坏扭力管前提下安装旋转编码器测试扭力管旋转角度,方法简单、可靠,且容易实现,很好的满足了试验大纲要求。     

ATR发动机燃烧室波瓣混合器张角及瓣宽比对掺混、燃烧特性的影响

为了促进空气涡轮火箭发动机燃烧室内来自压气机的空气和流经涡轮的富燃燃气的掺混、提高燃烧效率，本文基于空气涡轮火箭发动机燃烧室入口结构参数设计了波瓣混合器，并采用数值模拟方法通过调整张角及瓣宽比对波瓣结构进行优化。结果表明：1）保持外张角不变，增大波瓣内张角可以有效改善内涵燃料在燃烧室中心轴附近区域燃烧不完全的状况；2）在内、外张角相同的条件下，通过减小瓣宽b2使瓣宽比 大于1可以提升掺混及燃烧效率；3）相对于非反应流动，波瓣诱导流向涡在反应流中强度更高，沿径向向外移动的速度也更快；4）带有波瓣结构的燃烧室内，因内、外涵气流掺混造成的总压损失很小，80%以上的总压损失是由加热造成的。     

单组元300N发动机低温试验研究

为探究低温环境下单组元300N发动机的工作特性，揭示影响发动机低温性能的主要影响因素，以300N发动机为试验对象，开展了模拟飞行工况的发动机低温试验。给出了低温试验研究方法，分别从温度差异对发动机性能影响、催化剂活性差异对发动机低温启动特性影响和低温对电磁阀响应特性影响等方面获得研究结果。结果表明，低温是影响发动机低温性能的主要影响因素，-48℃条件催化剂无法完成推进剂的催化分解，发动机发生爆炸；-30℃条件下起活时间为80.5～87.5ms，发动机可正常启动，且启动温度与起活时间呈指数关系；催化剂批次差异也对发动机低温工作性能产生一定影响，不同批次催化剂低温起活时间的差异可达91ms；低温试验过程中，电磁阀的关闭受到低温推进剂粘性和背压的影响，产生了明显的迟滞现象，延迟时间约100ms，对发动机在轨的精准控制存在一定影响。