减小半球锥柱型药柱残药率的研究

为了减小半球锥柱型药柱的残药量,分别采用UG NX和MATLAB软件进行了建模和编程计算,得到了药柱燃烧规律和残药率与设计参数的函数关系图,进行了算例分析。计算结果表明,环向槽圆弧半径的取值越大,残药率越小,且残药率减少幅度增加;残药率与内孔半径呈现负相关关系;残药率与环向槽圆弧圆心旋转半径呈现近似抛物线关系,旋转半径值变大时,残药率先增大后减小;残药率与圆柱段长度呈现近似线性关系。计算结果与实际数据的最大相对误差为0.084%。      

药柱含扰流板H2O2/HTPB固液火箭发动机 两相流数值计算

研究了药柱中添加扰流板对固液火箭发动机燃烧性能的影响,以北京航空航天大学φ100mm标准固液火箭发动机为计算模型,针对98%H₂O₂/HTPB(过氧化氢/端羟基聚丁二烯)推进剂组合,采用二维轴对称气液两相模型计算了不同药柱位置、不同孔径尺寸的扰流板对固液火箭发动机燃烧性能的影响.结果表明:孔径尺寸更小的扰流板且置扰流板于药柱长度的50%~70%时,平均燃料退移速率最大,燃烧效率最高,这将为扰流板设计提供理论依据.      

S型软导线对陀螺加速度计零偏的影响

为了达到降低摆式积分陀螺加速度计零偏(K₀)的目的,提出了一种S型软导线。针对其结构形式与排布,对仪表零偏(K₀)和浮子组件干扰力矩(M)的影响进行了分析。将S型软导线分割为相切的圆弧,通过改变圆弧弧长、圆弧对应半径以及软导线水平偏角(α)等参数,采用ANSYS Workbench仿真软件Mechanical模块得到了在给定约束条件下软导线变形程度、应力应变分布以及自由端反作用力大小等信息,结合结构尺寸计算了软导线施加在仪表浮子组件上的干扰力矩和加速度计零偏的数值,为优化软导线结构与布局提供了参考。仿真结果表明：随着总弧长、弧长半径以及水平偏角的增大,干扰力矩M和零偏K₀呈现出先减小后增大的变化趋势,而随着圆弧等分段数的增多,干扰力矩M和零偏K₀则迅速增大。     

基于递归Gibbs-Appell的柔性空间机器人建模与特性分析

利用递归Gibbs-Appell方法研究了多重柔性的空间机器人动力学建模与特性分析。首先，根据Timoshenko beam theory与集中刚度分别对连杆与关节进行柔性描述，其次，利用旋转矩阵R_3×3与平移向量L_1×3的简化了齐次变换矩阵T_4×4以降低递推运动学难度，利用递归Gibbs函数与势能函数推导了柔性空间机器人的逆向动力学模型，再次，利用反向递归法获取了惯量矩阵与耦合矩阵，并构建了正向动力学模型。最后数值仿真结果表明，Matlab与Adams的仿真结果相对偏差不超过0.1%,Z弯曲变形相对于X剪切变形与Y扭转变形数量级超过了10³，这验证所建模型的正确性。在一定范围内，关节刚度增加50 N·m/rad时，连杆最大变形增量不超过1.5×10^-3 m，关节摩擦成5倍增长时，连杆最大变形增量不超过2×10^-3 m，帆板的增量变形具有相同变化趋势。     

固液火箭发动机工作过程三维数值仿真

根据固体燃料壁面与气相间的流固耦合得出了固体燃料燃速模型,对采用星形装药的H₂O₂/HTPB(hydroxyl-terminated polybutadiene)固液火箭发动机进行了燃烧流动三维数值仿真,得到了流场参数的分布及不同位置的固体燃料燃速,与二维轴对称仿真结果进行了对比.计算结果表明:装药截面的火焰层形状与装药星孔型面形状相似,但火焰层厚度与位置在星根与星角处存在差异;随着轴向位置的增加,氧化剂不断消耗,火焰层向通道中心移动;固体燃料燃速与氧化剂流率及不同装药位置有关,其大小随氧化剂流率的增加而增加,星根处燃速比星角处大;在相同氧化剂流率下,三维星形装药比二维轴对称装药的平均固体燃料燃速大.      

纳米铝颗粒在二氧化碳气氛下燃烧的反应分子动力学研究

为研究核壳结构纳米铝颗粒(ANP)在CO₂气氛下加热与燃烧的过程,采用反应分子动力学方法 (ReaxFF MD)对原子扩散过程进行研究。加热前期,在热膨胀与电场力作用下,核心处的铝原子与壳层的氧原子间相互扩散,在ANP内部形成空腔;加热中后期,ANP在电场力与浓度梯度作用下,转变为均匀分布的亚氧化物(AlO,Al₂O等)。分析原子间化学键以及产物数量的变化趋势发现,未氧化的铝原子会抑制一氧化碳的产生。当CO₂进入ANP时,发生2Al+CO₂=Al₂OC+O反应,产生中间产物,游离的O原子优先氧化未反应的铝原子。当铝原子消耗殆尽后,亚氧化物与中间产物分别发生AlO+CO₂=AlO₂+CO和Al₂OC+2AlO₂=4AlO+CO反应产生CO。研究揭示了ANP在CO₂气氛下加热与燃烧阶段的微观反应机理,为Al/CO₂反应体系在火星探测领域的应用提供理论依...     

节径凸起结构对串列双圆柱干涉噪声的影响

为探究周期性节径凸起结构对串列双圆柱体钝体杆件干涉噪声的降噪效果与降噪规律，在0.55 m×0.4 m声学消声风洞开展了串列双圆柱降噪实验，设计了8种不同参数的周期性节径凸起结构，实验研究了4种不同来流速度(雷诺数为0.4×10⁵～1.6×10⁵)下周期性节径凸起结构对串列双圆柱干涉噪声的影响。研究表明：周期性节径凸起结构可以减弱甚至完全抑制单音峰值噪声的产生，最大峰值噪声降噪量可达近30 dB，总声压级最高降噪量可达18.1 dB。不同工况状态下，各种参数化结构对噪声抑制能力有所不同，均存在最佳值，其中凸起高度为(0.1D～0.15D)、凸起间距为0.5D左右(D为基准圆柱直径)的周期性节径凸起结构在较广工况范围下都具有较好的降噪效果。周期性节径凸起结构的引入，不仅改变了串列双圆柱对应的峰值特征频率和涡脱落频率，而且抑制圆柱杆件卡门涡街的产生。     

非平衡流解耦方法及其计算激波诱导燃烧的应用验证

介绍并发展了一种改进的化学非平衡流动解耦方法.将流动控制方程与化学反应生成源项解耦处理,组分对流项的矢通量分裂基于流动方程密度对流项的分裂形式给出.对流项采用五阶WENO格式求解,化学反应源项的刚性采用简化的隐式方法进行处理.将该方法应用于预混H₂/O₂和H₂/Air激波诱导燃烧计算,得到的定常及非定常燃烧过程与实验观测相符,振荡频率与实验测量较吻合,结果表明该方法应用于多组分多步反应流计算是可行的.      

超临界二氧化碳超声速流动中的激波问题研究

对于理想气体而言，激波前后的流动参数变化受马赫数和气体比热比的影响，但对于超临界二氧化碳(S-CO₂)，其物性规律在临界点附近变化显著，使得激波后的流动参数难以预估。本文通过推导激波关系式，并结合S-CO₂物性数据库，建立激波计算的数值迭代程序，对S-CO₂超声速流动中的正激波和斜激波进行研究，并将理论分析结果和CFD仿真结果进行对比。结果表明：激波压缩不会造成气态CO₂向液态CO₂转变，但会使得气态或液态CO₂向超临界态转变；CO₂正激波前后压比随马赫数变化主要受来流相态影响，温度比变化则主要受来流初始参数影响；S-CO₂正激波波后参数在不同来流条件下的变化趋势具有相似性，当来流压力在临界压力附近时，波后流动参数变化剧烈；马赫数越高，激波出现最小熵增时对应的来流温度-压力曲线越靠近准临界线；在准临界线两侧，S-CO₂的斜激波脱体角度随来流压力增大分别呈现出“类气体”和“类液体”的变化特性。     

椭圆型条件矩封闭模型在湍流扩散火焰中的应用

使用考虑分子扩散与湍流扩散的椭圆型CMC模型对钝体绕流扩散火焰进行了数值模拟计算,计算的工况包括CH₄/H₂、CO/H₂和CH₃OH等燃料在空气中的燃烧。在数值计算中使用了k-ε双方程湍流模型和SIMPLE算法,并将计算结果与实验数据进行了对比,讨论了计算结果与实验数据之间偏差产生的原因,还分析了条件平均变量的空间变化。结果表明,条件平均温度、OH、CO和NO等组分的质量分数的计算结果与实验数据有着很好的一致性,说明椭圆型CMC模型是一种能有效地预测湍流非预混火焰中组分浓度和温度的计算方法。      

环境条件对铝粉颗粒燃烧产物凝聚的影响

采用金属颗粒蒸汽相扩散燃烧模型和燃烧产物多相成核理论,对铝粉燃烧所形成的Al₂O₃平均粒径进行了计算研究。根据计算结果,就环境因素对铝粉燃烧区域中的温度、燃烧产物的过饱和度及其凝聚成核速率的影响规律进行了分析讨论。结果表明:环境压强增加,铝粉燃烧温度和液滴表面温度提高,铝粉燃烧产物平均粒径降低;环境压强对参数分布特性的影响比环境温度的影响更为显着。      

温度和压力对低热值燃料层流燃烧特性的影响

为阐明低热值燃料在燃气轮机工况下的燃烧特性,在定容燃烧弹中测试了初始压力分别为0.10、0.15、0.20 MPa,初始温度分别为303、353、403、453 K,当量比范围为0.8~1.6,体积分数为7% H₂、21.72% CO、21.45% CO₂、49.83% N₂的高炉煤气层流燃烧速度,并采用Gri-Mech 3.0化学反应机理对其进行了数值模拟。实验和模拟均发现,低热值燃料的层流燃烧速度随着初始压力的降低而增高,随着初始温度的增加而升高,且层流燃烧速度随温度和压力并非呈现单调性的变化规律,并在实验工况范围内对层流燃烧速度进行了温度和压力拟合。通过敏感性分析发现:主要的正向促进反应为R99、R46,主要的逆向抑制反应为R45、R36,层流燃烧速度受高活性自由基的影响,与链终止反应与链分支反应关于高活性自由基的竞争有关;随着初始压力的降低和初始温度的升高,高活性自由基摩尔分数增大,从而导致层流燃烧速度升高。      

钛基稀土激光熔覆层组织细化机制及性能

采用通快TruDisk 4002光纤激光器在TC4合金表面分别制备了0wt% Y₂O₃和3wt% Y₂O₃的TC4+Ni45+Co-WC钛基耐磨复合涂层。利用XRD、SEM、EDS、EPMA、显微硬度计和摩擦磨损试验机等分析了涂层组织、显微硬度和摩擦学性能。结果表明，两种涂层表面均无裂纹孔隙等缺陷，且生成相一致，主要包括TiC、TiB₂、Ti₂Ni、WC和α-Ti；0wt% Y₂O₃涂层组织存在明显偏析，析出相尺寸粗大且方向性明显；3wt% Y₂O₃涂层组织呈均匀弥散状态分布，细化特征明显；经Bramfitt二维点阵错配度计算，（100）_Y2O3和（100）_Ti2Ni、（111）_Y2O3和（110）_TiC、（110）_Y2O3和（1010）_TiB2间的错配度分别为5.75%、6.72%和10.10%，Y₂O₃作为异质形核核心对Ti₂Ni、TiC和TiB₂的细化能力依次为Ti₂Ni > TiC > TiB₂；0wt% Y₂O₃和3wt% Y₂O₃涂层显微硬度分别为600~630 HV_0.5和470~480 HV_0.5，较基材分别提高了约62%和26%；3wt% Y₂O₃涂层耐磨减摩性最优，其磨损体积和摩擦系数较0wt% Y₂O₃涂层分别下降了约47.8%和5.0%，磨损机制主要为磨粒磨损。     

圆柱面点阵自生Al2O3铝合金粉芯丝材开发及应用

基于Al和NiO的冶金反应设计了圆柱面点阵电弧增材制造自生Al₂O₃铝合金粉芯丝材，进行了热分析；制备了直径1.2 mm的自生Al₂O₃铝合金粉芯丝材，研究了其工艺性能，分析了自生Al₂O₃的尺寸、形貌，并测试了单元杆的热导率和强度；利用该粉芯丝材在直径157 mm的圆柱面上成形了两层金字塔点阵结构。结果表明：Al和NiO冶金反应的最大反应速率温度为1 038.9℃，能够在电弧增材制造条件下可靠进行；粉芯中含1.5%NiO的铝合金粉芯丝材在电弧增材制造中电弧稳定、熔滴呈均匀小颗粒过渡、过程平稳、飞溅率小于0.74%。研发的粉芯丝材成形点阵单元杆表面粗糙度小于10.40μm，自生成了大量的密排六方α-Al₂O₃，尺寸在50～300 nm之间，与铝基体的界面结合良好；单元杆的热导率为103.68 W/(m·K)，平均抗拉强度达到了288 MPa；成形的圆柱面点阵单元杆直径误差在±0.1 mm以内，倾角误差在±0.9°...     

航空发动机燃烧室燃烧过程与排放物生成的反应动力学数值模拟

选用正癸烷作为航空煤油的替代燃料,建立了正癸烷的化学反应详细机理与简化机理(包括50种组分,118个基元反应).分别采用详细机理与简化机理对正癸烷在激波管中的着火延迟时间、在预混燃烧炉内的燃烧过程进行了数值计算,并与实验结果进行了对比分析.同时,耦合该简化机理与CFD计算软件Fluent,对某型航空发动机环管形燃烧室中单个火焰筒内流动特性与燃烧过程、排放物及活性中间组分生成的反应动力学特性进行了详细分析,并与采用C₁₂H₂₃为燃料的单步反应机理的计算结果进行了对比分析.结果表明:采用简化机理计算得到的着火延迟时间、反应物与各主要生成物摩尔分数的整体变化趋势与实验数据吻合较好;与采用C₁₂H₂₃为燃料的单步反应机理相比,采用正癸烷为替代燃料的简化反应机理计算得到的温度场分布更符合实际,其出口平均温度亦更为接近燃烧室出口设计温度;同时,能更为详细了解燃料低温裂解过程及裂解产物、中间产物及主要排放物的生成规律.      

圆柱跨声速绕流中的激波/湍流相互作用大涡模拟研究

采用大涡模拟方法研究了圆柱跨声速绕流中的激波/湍流相互作用问题,来流马赫数M∞取为0.75,基于圆柱直径D的雷诺数为2×105。计算结果表明,圆柱分离点处出现一道斜激波,并且以与涡脱泻Strouhal数一致的特征频率向上游传播。激波运动导致流场中出现反对称的流动模态,剪切层中压力信号的功率谱曲线中存在0.4、-1和-5次方的斜率关系,剪切层中的剪切应力角约为0°,脉动速度以流向脉动速度为主,并且沿剪切层的大尺度结构组织性减小。     

燃烧室掺混气流与缝槽气膜相互作用初步研究

对缝槽气膜冷却在不同吹风比情况下的气膜冷却效率采用CO₂传热传质类比方法进行了试验研究。根据湍流混合模型及气膜效率试验数据归纳了计算缝槽气膜冷却气膜效率的经验关系式。在此基础上,采用相同试验方法进行了掺混气流与气膜相互作用的初步研究,明确了掺混气流对其下游区域气膜的干扰作用。      

航天飞行器轻质纳米材料高温隔热性能

纳米隔热材料是一种新型航天飞行器热防护材料。本文使用自行研制的高速飞行器热试验系统,对Al₂O₃纳米材料的高温隔热性能进行试验研究及数值计算,为高速航天器热防护系统的安全可靠性设计提供重要依据。研究结果表明,厚度仅为10 mm的Al₂O₃纳米材料板,当前表面温度为1 200℃时（1 800 s）,前后表面的温度差高达880.9℃,后表面温度降低了73.4%,且隔热性能稳定。另外与某空天飞行器轻质陶瓷材料进行了隔热性能的对比试验,结果显示轻质陶瓷材料板的背壁温度要比Al₂O₃纳米材料板高56%。说明Al₂O₃纳米材料的高温隔热性能非常优异,在航天器和高超声速飞行器热防护中具有重要的应用价值。由扫描电镜（SEM）图像知,当温度超过1 200℃后,Al₂O₃纳米材料颗粒快速聚集生长,颗粒间的空洞尺寸显著增大,材料内部纤维出现熔融现象,裂纹数量增多、深度及宽度显著增大,影响材料表观导热率。另外,当温度高于1 200℃时,纳米材料板边界出现了较大的收缩变形和弯曲变形。基于试验结果可知,Al₂O₃纳米隔热材料应该在小于1 200℃的热环境中使用。     

基于黏性涡域法的二维钝体绕流模拟

针对传统计算流体力学方法需要划分网格且计算耗时长等问题，一种确定性涡方法(黏性涡域法)逐渐发展并日臻成熟。本文利用该方法计算模拟了二维钝体的流场、气动系数及斯特劳哈尔数，并与其他成熟CFD软件计算结果对比来验证模拟精度。黏性涡域法的模拟过程为生成涡量、涡量演变及气动计算。文章首先推导了该方法各过程的基本方程，然后基于Lua语言编制了圆柱和方柱绕流计算程序，最后利用Gnuplot实现流场可视化。利用黏性涡域法模拟不同雷诺数下圆柱绕流、不同无量纲频率和无量纲振幅的振动圆柱气动力时程、不同风向角下的方柱绕流，结果表明：雷诺数为2×10²～1×10⁵时，基于黏性涡域法的圆柱绕流气动计算结果与其他方法的计算结果基本一致；基于该方法的不同风向角下方柱绕流气动计算结果与其他文献结果趋势相同。     

月球探测器发动机羽流辐射热流计算

火箭发动机羽流的辐射的计算需要求解气体介质的辐射传递方程(RTE).计算模型中基于单线组(SLG)模型考虑气体组分的光谱特性,并采用离散传递法(DTM)求解RTE,对波长积分得到辐射热流密度.通过对圆柱高温CO₂气团辐射热流计算来验证计算程序,然后在流场计算的基础上,计算了月球探测器主发动机和姿控发动机羽流对各部位和仪器的辐射热流密度,根据对不同工况计算结果的分析为探测器的设计提供参考.