可压缩多介质流动问题的高精度数值模拟方法

在可压缩流动问题的数值模拟领域,激波的高分辨率计算已取得重要进展。但是包含物质界面的可压缩多介质流动的数值模拟还存在诸多数值挑战,主要表现为界面处数值耗散过大和非物理振荡等问题。界面处流体性质的不连续性是造成可压缩多介质流动问题物理建模与数值方法困难的主要原因。为了建立一套高效的可压缩多介质流动问题的高精度数值模拟方案,本文从数值框架的选择、非守恒方程相容离散、高精度有界格式构造、界面压缩、界面-单介质分区计算方法等多个维度出发,综述近几年我们在可压缩多介质流动问题高精度数值模拟方法方面的研究进展。通过上述多个维度的工作,我们建立了一套适用于可压缩多介质流动问题的低耗散、基本无数值振荡的高精度欧拉数值方法,并成功应用于可压缩多介质大变形流动和界面不稳定性诱导湍流混合等问题的数值模拟。相关数值方法研究成果已集成至武器物理等领域工程数值模拟软件中,为相关工程任务提供了重要技术支撑。     

基于双滤波器的高精度目标跟踪估计方法

针对连续推力的合作航天器，采用双重无迹卡尔曼滤波(DUKF)算法估计其状态和加速度。通过状态滤波器和参数滤波器的配合，提升滤波精度，完成运动状态和参数的估计，从而实现合作目标的运动轨迹跟踪。与合作航天器相比，非合作航天器存在大小未知、发生时刻未知的机动，无法获得加速度，且信息获取和运动状态的估计难度大。针对非合作航天器，基于简化的相对运动方程，结合天基平台获得目标的观测信息，采用两个扩展卡尔曼滤波(EKF)及基于半正焦弦的机动检测策略实现多未知脉冲机动的运动状态的估计。仿真结果表明：相比于无迹卡尔曼滤波（UKF），DUKF在对合作航天器的状态和加速度估计方面具有更快的收敛速度和更高的滤波精度；对于存在未知机动的非合作航天器，通过对比验证机动检测策略与滤波器切换策略相结合的方法的有效性，该方法能够检测到多次机动并且减少误判。     

MIMO窄带加宽带非高斯随机振动试验

提出了一种用于多输入多输出窄带加宽带非高斯随机振动试验方法。首先，详细分析了随机相位与非高斯随机信号偏度和峭度的关系，提出了一种可用于快速生成具有指定偏度和峭度的迭代相位调节法。其次，根据控制通道之间的耦合关系，利用各通道之间随机相位的不相关特性，实现了多通道非高斯随机信号生成的解耦。然后，将生成的非高斯随机信号作为参考输出响应，采用时域逆系统方法生成驱动信号，并利用控制算法分别对响应信号的功率谱、偏度和峭度进行控制。最后，通过三轴向振动台试验验证了本文提出的多输入多输出窄带加宽带非高斯随机振动试验方法的可行性。结果表明，控制点上加速度的功率谱被控制在了±3 dB的容差限内，满足预设的容差要求。同时，时域响应信号的峭度和偏度也满足给定的参考要求。     

SABRE预冷器计算模型及其在整机模型中的应用

预冷器的性能对SABRE等预冷组合循环发动机具有重要影响,为实现发动机方案设计阶段预冷器的快速设计与评估,建立了预冷器准二维快速评估模型。将SABRE预冷器的几何结构简化为一个扇环形区域,沿径向和周向将该区域划分为二维节点。应用守恒方程及传热关联式完成单个节点计算,再求解节点矩阵的平衡方程组,计算内外流体特定节点上参数的二维分布,得到预冷器出口参数。将模型嵌入发动机总体性能程序中,实现了发动机设计及非设计点的预冷器性能计算的功能。与文献数据对比结果表明,预冷器模型传热计算误差小于5%,摩擦阻力误差小于10%。整机计算结果显示,Ma0~5范围内,预冷器空气侧温降范围为143K至932K,温降随飞行马赫数升高单调上升。预冷器传热有效度范围为0.896-0.945,空气侧总压恢复系数范围为0.852-0.904。     

固体火箭发动机喉衬用轴编C/C复合材料的烧蚀及热结构特性研究进展

固体火箭发动机喉衬用轴编C/C复合材料的工作环境面临高温、高压、高速燃气流和大量凝聚相颗粒的烧蚀和冲刷,对材料的抗烧蚀性能和热结构特性要求十分严格。因此,从烧蚀实验和热结构特性实验研究、热结构特性预测与气体-颗粒两相流数值模拟三个方面,论述了轴编C/C复合材料的烧蚀及热结构特性研究进展。总结讨论了实现真实烧蚀工作环境的模拟和影响烧蚀实验参数的控制是高温烧蚀实验的难点,对于铝颗粒添加下工况的烧蚀实验和在细观尺度下热结构特性参数的测定实验是重点;提出从实验件类型、实验系统设计和对比有无铝颗粒添加下的工况进行烧蚀实验;提出采用一种热稳定性材料取代界面的实验方案进行热结构特性参数的测定实验。在热结构特性研究的细观尺度方面,组分材料之间的界面对热结构特性的影响有待深入研究,提出在代表性体积单元模型的基础上引入温度的周期性边界条件来实现热结构参数的预测。在气粒两相流数值模拟方面,发动机内不同相之间相互耦合作用以及对轴编C/C复合材料的机械侵蚀是数值模拟研究的难点,提出使用SDPH-FVM耦合的方法去解决内流场燃烧流动的问题,进一步可用来揭示内流场燃烧流动机理。     

复合材料雷击防护电热耦合模型

为了研究复合材料雷击防护(lightning strike protection,LSP)系统在雷电流作用下的损伤规律,基于雷击过程中的能量守恒关系,建立复合材料层合板雷击防护的电-热耦合数学模型。在此基础上,在ABAQUS中建立铝涂层防护的碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)层合板雷击烧蚀损伤有限元模型,并对雷击烧蚀损伤进行分析,和实验结果对比验证仿真的有效性,得出复合材料层合板在不同峰值雷电流、不同组合波形和不同铝涂层厚度雷电流作用下的烧蚀损伤规律。结果表明:铝涂层厚度相同时,峰值电流从50 kA增大到100 kA时,复合材料层合板损伤面积约增大1.5倍;10/350波形50 kA峰值雷电流作用下,基准件的损伤面积约为0.05 mm厚度铝涂层防护系统下复合材料损伤面积的4倍。     

一种调焦机构运动方向与光轴平行性测试方法

调焦机构运动方向与光轴平行性的好坏直接影响调焦过程中光学系统主点位置、像质均匀性、像面照度均匀性等多项指标。为了在安装过程中保证调焦机构运动方向与光轴平行,需要测量调焦机构运动方向与光轴之间的角度关系。文章通过三坐标测量系统和自准直经纬仪,设计了一种对感光元件非接触式的测量方法,来测量调焦机构运行方向与焦平面法线方向之间的角度关系,通过结构设计与加工补偿实现两者的平行装调。试验结果表明,调焦机构运动方向与焦平面法线方向的角度测量模型准确可靠,数据处理算法合理可行。     

钛合金表面抗激光涂层损伤特性及热效应影响研究

实验研究了钛合金和高反射型陶瓷涂层材料抗连续型激光烧蚀的损伤及温度分布特性，并从热效应影响角度对比分析了二者在抗激光损伤效果方面的差异性。研究结果表明：相比于钛合金，高反射型陶瓷涂层材料能有效增强钛合金基底抗激光损伤的能力；在同等激光功率密度辐照下，陶瓷涂层材料能有效提升钛合金基底耐受激光辐照的时间长度。实验结果表明该陶瓷涂层材料的激光损伤阈值比钛合金高约5.8倍。实验发现陶瓷涂层温升速率高于钛合金，但由于陶瓷材料具有较高的反射特性，以及良好的热吸收和热传导特性，因此能使由激光辐照产生的热量在其表面较快地扩散，而降低向基底方向传导的程度，最终提升陶瓷涂层的抗激光损伤阈值。     

多支点柔性转子系统临界转速稳健设计方法

基于响应面法和容差模型提出了定量考虑参数变差影响的转子系统临界转速稳健设计方法。该方法利用响应面模型获得多参数、多目标之间的函数关系,并以多阶临界转速分布为约束条件、以临界转速对支承刚度变差敏感度最低为设计目标。对小涵道比涡扇发动机低压转子系统临界转速稳健设计结果表明:在考虑各支点支承刚度变差情况下,采用多参数、多目标稳健设计方法,可保证多支点柔性转子系统的临界转速特性在满足设计要求的同时,转子系统临界转速对支承刚度变差的敏感度最低,验证了该方法的有效性。