北京强度环境研究所完成CZ-2F火箭POGO振动研究

在载人航天的运载火箭第五次飞行中,宇航员报告在一级火箭飞行末秒产生比较强烈的振动。北京强度环境研究所承担了该问题的研究工作。课题组根据飞行振动、输送管路脉动压力的遥测数据分析,认为这种振动的主要原因是产生了液体火箭的燃料输送系统和火箭结构系统动力学耦合的全箭POGO振动。为了证明POGO振动成因,进行了模拟介质和真实介质的输送管路脉动特性试验、全箭纵向模态试验,开展了管路特性计算分析和全箭POGO稳定性分析工作,证明了实际飞行时POG0振动的机理。     

液体火箭Pogo振动蓄压器非线性仿真研究

本文针对液体火箭推进系统中的Pogo振动现象提出了一种非线性的仿真方法。传统的线性管路模型可以用来进行Pogo振动的稳定性分析;但直接用于振动过程的仿真时,却与实际发生的振动现象差别较大。这些稳定性分析方法中,蓄压器元件采用的是在工作状态附近线性化的模型,而本文从蓄压器中工作气体状态方程出发,建立蓄压器的非线性模型,并对管路和箭体结构耦合系统的状态方程进行了时域仿真。仿真结果表明非线性模型不仅可以反映出系统每个时刻的稳定性,而且可以再现Pogo振动失稳时发散和收敛的过程,特别是失稳时蓄压器处压力脉动变化的非对称特点。这些都非常符合Pogo振动的观察结果。     

管道测压系统频率响应研究

准确测量模型表面的脉动压力对于研究建筑物表面风荷载具有重要的意义.在实验室中通常采用管道系统和传感器对物体表面压力进行测量.然而,模型表面的压力信号通过管道系统后会在幅值和相位两方面发生畸变.在管路系统中加限流器能在很大程度上改善管路系统的频率响应特性.笔者应用Tijdeman的管道频率响应理论进行了不同管子和限流器尺寸参数组合的计算,并且进行了系统的对比实验.结果表明:计算和实验结果符合良好,文中进而讨论了有关参数对管路系统频率响应特性的影响.结果对如何正确测量建筑物表面脉动压力提供了一种有效的方法.     

含腐蚀坑点的管道剩余寿命研究

研究了节流孔板引起的压差对含腐蚀坑点的管道系统的影响.通过Flowmaster2[1]对含节流孔板管路系统进行整体流体特性分析,得到有关节点的压力脉动.利用ABAQUS对含节流孔板并在其前预设一个腐蚀坑点的管路系统中的一段直管进行有限元分析计算,获得腐蚀坑点的应力响应.提出了综合考虑腐蚀速度和应力疲劳的含腐蚀坑点管道剩余寿命预测方法.     

后置静叶周向弯曲对表面非定常压力脉动的影响

在目前的叶轮机械中,普遍存在着旋转动叶与后置静叶干涉产生的非定常流动现象.这种流动现象会导致静叶表面产生非定常性压力脉动.这种脉动可分为旋转动叶的速度亏损尾迹引起的叶片表面的周期性脉动和气流本身的湍流脉动及其他涡团导致的随机脉动两个方面.采用一工业用单级通风机,对其动静叶的干涉现象进行研究.通过在后置静叶表面沿弦长及叶高方向布置动态压力传感器的方法,研究静叶的周向弯曲(倾斜)角度对静叶表面的非定常力的影响.研究结果表明:采用周向弯曲静叶会改变动叶尾迹所引起的后置静叶周期性脉动的幅值在静叶表面的分布特点,静叶顶部压力脉动的幅值与原始径向静叶相比能够有效地降低,同时与中部的压力幅值相比有一定提高,但整体呈现下降趋势;另一方面,静叶表面随机性的压力脉动强度受周向弯曲的影响较小.     

C-dump变换器供电的无刷直流电机换相转矩脉动的分析

研究了基于Ｃ－ｄｕｍｐ变换器的无刷直流电机的换相转矩脉动,分析了换相转矩脉动产生的原因,对换相电流变化率、储能电容电压和转速对换相转矩脉动的影响进行了仿真分析。提出了减小换相转矩脉动的措施,并给出了实验波形和实验结果。     

外啮合齿轮泵产生噪声的原因探究及解决方法

通过分析与研究,详细分析了外啮合齿轮泵噪声现象的机理:(1)外啮合齿轮泵制造精度不够;(2)外啮合齿轮泵高速旋转时出现抽空现象或者是吸油管路中途吸入空气;(3)外啮合齿轮泵出现困油现象而没有设计相应的缷荷槽;(4)外啮合齿轮泵采用较大正变位齿轮,齿数较少,排油压力脉动率增大,使外啮合齿轮泵产生噪声;(5)进出油口压力过大,压力急剧上升出现较大冲击,从而产生了噪声和振动。对此有针对性地设计出了消除外啮合齿轮泵噪声现象的特殊结构,不但大大降低了噪声现象,而且还提高了外啮合齿轮泵的容积效率。可为今后设计高质量的高转速外啮合齿轮泵提供一条新的途径。     

双凸极电机转矩脉动的仿真研究

双凸极电机的凸极结构及其供电电源的开关形式，导致了在输出转矩中存在稳态转矩脉动和换向转矩脉动，由于换向转矩脉动对电机性能影响较大，本文主要对影响电机稳态性能的换向转矩脉动及其产生原因进行了详细的分析研究，在此基础上提出了双凸极电机进行电流控制，改变控制参数，采用双拍工作方式以及改变励磁电流波形等几何方法来改善双凸极电机的输出转矩特性，减小输出转矩脉动。数字仿真结果验证了这些方法对减小转矩脉动的可行性。     

基于有限元法的风洞结构故障诊断

针对2.4m风洞第一扩散段在运行过程中出现的裂纹现象,应用振动测试技术和有限元分析方法,进行了不同工况条件下振动测量和脉动压力测量,获得了结构在气流脉动压力作用下的主要振动频率范围.通过与有限元分析结果验证对比,诊断出了第一扩散段产生裂纹的原因在于内壳体裂纹板与气流长期耦合振动,结构疲劳从而导致出现裂纹.最后在此基础上提出了合理的整改方案,对结构进行了动力学修改.结果表明:结合振动测试,基于有限元法对风洞结构进行故障诊断是一种行之有效的方法.     

航天飞行器脉动压力数值计算方法综述

航天飞行器以高马赫数飞行时,由于边界层的复杂流动将产生强烈的脉动压力环境。由此会引发仪器设备强烈的振动与噪声环境,从而大大降低了系统的可靠性,甚至导致飞行失败。长期以来,国内外在飞行器脉动压力预示方面开展了大量的理论分析、数值计算与试验研究,取得了一定的成果。随着计算流体力学和脉动压力计算方法的日趋成熟,数值方法正日益成为脉动压力环境预测的主要工具。针对飞行器脉动压力环境的基本特征,对目前常用的脉动压力数值计算方法和现有研究成果进行了较为全面的介绍,对新一代航天飞行器的研制提供了一定的参考依据。     

风洞试验中测压管路信号畸变及修正研究

采用分布摩擦模型和试验方法分析了简单测压管路系统的信号畸变,分析了数学方法和机械方法修正测试信号的优缺点;讨论了不同参数对管路系统传递函数的影响,同时说明了试验中常见管路连接、弯折、挤压对管路系统的影响,提出了合理利用管路共振效应提高测试数据信噪比的思想,并基于此提出了管路系统的选择及定量的评价准则.结果表明:采用分布摩擦模型理论修正测压管路系统脉动畸变信号是可行的;管路等内径连接、轻度弯折、轻度挤压不会对管路的传递函数造成影响;通过笔者提出的定量评价标准可以高效的选取合理的管路长度.     

细长旋成体大迎角绕流非定常特性的实验研究

在亚临界流动范围内,通过细长旋成体在无侧滑状态下的脉动压力测量,对大迎角细长旋成体多涡区域的轴向以及周向的压力脉动特性进行了研究,分析了旋成体周向压力脉动幅度及主频与背涡之间的对应关系,发现在多涡区存在一种完全不同于卡门涡脱落时的非定常现象,得到压力脉动主频的斯特劳哈数沿旋成体轴向有逐渐增大的趋势。     

海上小井眼脉冲空化射流发生器射流特性室内试验研究

为了经济地开发海上边际油气资源,将小井眼单通道井井身结构及水力脉冲空化射流提速技术相结合研制出了小尺寸(外径为120mm)水力脉冲空化射流发生器,并采用室内试验研究了其射流特性。分析了其在不同排量下的出口压力脉动频率、入出口压力脉动振幅、工具压耗等参数和自激振荡喷嘴的射流特性。研究表明,出口压力脉动频率与排量呈线性增大关系,入口及出口压力脉动振幅随排量增大而呈增大趋势,工具压耗与排量呈2次增大关系,自激振荡喷嘴能够产生负压和空化效应。     

Motycka估算方法中滤波位置改变对最大瞬时畸变值预测的影响

将Motycka方法中脉动压力滤波改为瞬时畸变滤波可减少其估算机时。本文从理论上建立了上述两种滤波位置所获得的瞬时畸变的随机统计参数和最大值之间的关系,用计算所得结果进行了验证。验证表明可用瞬时畸变滤波方法替代脉动压力滤波方法去估算最大瞬时畸变值。     

采用长细管法进行脉动压力转捩探测的实验研究

为了简便地使用测量模型表面脉动压力特征的方法探测边界层转捩位置,需要研究脉动压力传感器接在传统测压模型外的适用性,即通过长细管将模型表面的脉动压力信号传递到脉动压力传感器上的方式是否可得到转捩的特征信号。首先采用信号发生器驱动扬声器,在无风条件下,测量了长细管对不同频率声压信号的传递损失情况。证明了所采用的长细管系统具有合适的工作频带。然后在西北工业大学NF-3低速风洞二元实验段、实验风速为30m/s的条件下,对弦长为800mm、展长为1.6m的翼型模型沿弦向进行了脉动压力信号测量,并通过改进的数据处理技术判断了模型表面的转捩位置。研究结果表明,采用长细管系统进行脉动压力方法转捩探测具有一定应用价值,值得进一步深入研究。     

宽电压输入范围调节/变换装置的建模与仿真

提出了一种适用于未来先进飞机的新型专用电源系统的设计方案，它由永磁同步发电机和宽电压输入范围的变换／调节装置组成。本文利用Matlab工具建立了宽电压输入范围变换／调节装置的仿真模型。另外，还对滤波器的结构和参数对输出直流电压脉动和发电机相电流波形的影响及相电流谐波进行了仿真分析。仿真结果表明，在Boost-buck变换器之前增加滤波器，并不能改善系统直流输出电压脉动情况，反而会造成发电机三相电流谐波含量增大，对发电机产生不利的影响。新型专用电源系统直流电压脉动幅值的控制是靠变换器自身调节实现的。     

基于流固热耦合模型的并行电弧损伤影响分析

电弧故障可以释放很高的能量,对周围一定距离的物体和导线造成危害,其产生的热量甚至可以引起火灾。首先,理论分析电弧的能量在管路上的分配及其造成的影响,使用流固热耦合的数值计算方法,用于模拟流体和固体之间的实时热量交换。建立了有限元模型,对电弧损伤影响进行数值仿真研究,建立了电弧能量分配方程。最后,分析了直流28 V和交流115 V供电条件下的电弧损伤影响程度,验证了所建立的电弧能量分配方程的预测能力。仿真结果表明：电弧故障使得金属发生相变,其损伤影响程度与电弧功率系数、能量耗散因数等有关;当电弧功率增大后,管路相变吸收的能量所占电弧总能量的比重就越大;电弧功率系数是一个与管路和电弧位置间距有关的指数函数。     

某型民机低速巡航构型平尾抖振特性风洞试验研究

提出一种分析平尾抖振的风洞试验方法,通过在某型常规布局民用客机刚性全模的主翼和平尾表面安装超小型脉动压力传感器,测量并分析了主翼及平尾表面脉动压力的时域与频域数据,得到了在主翼尾流及自身流动特性影响下平尾不同截面的脉动压力特性和表面压力分布特性。结果表明:在中小迎角下,主翼出现强分离流动时产生的随机脉动压力激励会引起平尾结构强迫振动,且平尾表面的脉动压力主频与主翼尾流的脉动压力主频相近。在大迎角下,平尾不再受主翼尾流的干扰,其脉动压力特性与自身的分离特性相关,且沿平尾展向向外脉动压力功率谱密度值逐渐降低。     

导管螺旋桨导管压力脉动特性试验研究

应用动态压力传感器测试了静推力和倒车状态下一导管螺旋桨导管内壁脉动压力,介绍了试验设备、方法和数据处理方法,并对其沿螺旋桨轴向的分布规律、频率和幅值特性进行了分析.结果表明:导管内壁压力脉动主要出现在内壁桨叶和整流叶片所在区,其最大脉动值可达静压的3倍,内壁其它区域压力脉动较小;其脉动频率主要是桨叶频率及其倍频,叶频率幅值在内壁桨叶和整流叶片所在区也比其它区域大.     

水力脉冲射流特性室内实验和数值模拟

水力脉冲射流是提高深井机械钻速的一种经济有效的方法,在分析水力脉冲空化射流发生器调制脉冲射流机理的基础上,采用室内实验和数值模拟两种方法对水力脉冲空化射流发生器所产生的脉冲射流特性进行了研究.着重研究了入口流量和叶轮叶片结构对该工具产生的脉动压力振幅的影响.室内实验和数值模拟结果表明:在同一叶轮结构下,随着入口流量的增大,脉动压力振幅呈增大趋势.在同一排量下,采用3叶片叶轮结构的工具调制出脉冲射流的脉动压力振幅较大.因此建议在现场试验条件允许的情况下尽可能地增大泵的排量,并且重点对3叶片叶轮结构的工具进行现场试验研究.