高空高速无人飞行器热控制系统设计

针对飞行时间短、速度和高度变化快、表面温度波动大的无人飞行器UAV(Unmanned Aerial Vehicles)热控制系统设计难题,提出了一种可解决实际工程问题的热分析计算方法.即把热天工况、冷天工况和标准天工况作为设计/试验工况;采用参考温度法、高超音速工程预测法或计算流体动力学CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟法,确定了飞行器表面温度分布,并把其作为后续热分析数学模型的外边界条件;分析结构热容量对瞬态热载荷的影响,建立与之相应的边值问题方程,并采用有限差分法求解;根据高空高速飞行特点及瞬态热载荷值,确定仪器设备舱调温系统方案.     

某类跨大气层飞行器全航程红外辐射特性分析

针对某类跨大气层飞行器飞行过程中需要进出大气层,且飞行速度跨度大等特点,建立了不同空域、不同飞行速度下的机体头部受热模型。当在大气层内飞行时分别使用经验公式和Lees公式计算马赫数小于5和大于5时头部受热情况,当在大气层外飞行时建立了考虑太阳直射、地球反照和地球红外加热情况下的受热模型。利用普朗克定律得到了相同温度下不同波段的红外辐射能量占比情况。最后利用本方法对某类跨大气层飞行器进行了温度和红外辐射计算,得到的计算结果能够大致反映全航程头部温度和红外辐射变化情况。     

基于Fluent的电液泵流场与温度场有限元分析

介绍三相异步电机-轴向柱塞式电液泵(EHP)的集成结构与工作原理,计算电液泵机械损耗,在Ansoft软件中建立电液泵电机模型,仿真分析电液泵的电磁损耗,并在此基础上建立有限元耦合模型,借助Fluent软件仿真分析液压油在壳体内腔的流动与温度分布状态,以及关键零部件的温度分布。有限元分析结果表明,液压油可以在流道内充分流动,并且额定工作状态下,当进口液压油温度为35℃时,电机定子最高温度不超过58℃,转子最高温度不超过40℃,散热效果好于传统电动机-泵组。针对定子内部温度较高的现象,研究了定子四周打4个直径10 mm的通孔后的温度分布情况,并与打孔前进行了对比,结果表明,打孔后电机定子最高温度降低了0.6℃,局部区域温度降低超过3℃,散热效果改善明显。     

功能梯度材料活塞三维温度场分析

功能梯度材料零件具有单质材料零件无法比拟的理化性能优势,然而由于材料分布复杂以及对功能梯度材料本身性能研究不充分,功能梯度材料零件性能分析存在很多困难.以陶瓷纤维梯度增强活塞、陶瓷纤维非梯度增强活塞为例,应用复合材料热性能理论,采用有限元分析软件ADINA中的ADINA-T模块和结构分析模块对功能梯度材料活塞和普通活塞的温度场和热流场进行了计算分析,结果表明使用陶瓷纤维梯度层可以明显改变活塞温度分布,降低散热量,缓和由于热膨胀系数不匹配,在陶瓷纤维增强层与活塞本体交界处产生的应力.     

一种新的界面处理方法在气固耦合传热中的应用

对于高超声速流场和固体结构温度场的耦合传热问题,推导出了一种新的界面耦合处理方法,通过在流固交界面上求解由狄里科利和牛顿边界条件得出的偏微分方程,把对流体和固体两个区域的影响显式地体现在交界面方程中,并对该方法进行了稳定性分析.分析表明:该方法相比于传统的耦合迭代方法有更好的稳定性.将这套算法成功应用于绕无限长圆柱的气动加热计算中,对圆柱在气动加热过程中的温度变化做了比较详细的分析.     

基于气动导数的类X-37B飞行器纵向稳定性分析

为了定量地研究跨大气层轨道飞行器在不同飞行条件下俯仰方向的动态特性,在Etkin气动力模型的基础上,详细研究了飞行马赫数、减缩频率、振动幅值、平均迎角等因素对此类飞行器纵向动态特性的影响规律。研究结果表明,平均迎角和飞行马赫数决定了流场的基本特性,所以对气动导数的影响很大;而减缩频率和振动幅值决定了非定常扰动的强弱,影响非定常气动力的大小,决定非定常迟滞效应的强弱。对类似X-37B的跨大气层轨道飞行器来说,平均迎角越大,机身后方背风区的涡流作用越强,纵向稳定性越强。在亚声速范围内,随着飞行马赫数增加,纵向稳定性增强,在超声速范围内,随着飞行马赫数增大,纵向稳定性减弱。振动幅值大小虽然影响了流场的形态,但对气动导数的数值大小没有明显影响。振动频率对动态特性的影响也不明显。希望研究结果可为中国未来类似飞行器的研究和发展提供相应的参考和技术储备。      

传感器安装误差及其对飞行器气动参数辨识的影响

基于飞行器线性化纵横向解耦数学模型,系统地分析了加速度仪表、流向传感器和角速度陀螺安装位置误差和轴不平行度误差对飞行器气动参数辩识的影响。分析表明,必须将传感器安装误差限制在一定的范围内,否则得不到今人满意的参数估值。分析结果对指导飞行试验设计及非线性模型参数估计具有重要意义。     

人体温度场的边界元分析

针对人体温度场模型复杂,计算难度很大,需要简化计算,采用了边界元法.利用边界元法是以边界点上未知函数满足积分方程为基础进行近似计算的这一特点,对人体温度场模型进行了三维计算,并给出结果,与其它方法和实验比较,吻合较好.     

降落伞流固耦合问题的数值模拟和流场分析

提出了基于压力耦合的半隐式算法,即SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)算法和生成阶梯网格方法的对稳定下降阶段的降落伞进行数值模拟的新方法.此方法在降落伞流固耦合计算中具有较好的稳定性和较高的效率.对降落伞稳定下降阶段的流固耦合问题进行了数值模拟.降落伞模型分别采用了圆形伞和锥形伞稳定下降时的结构数据,并对锥形伞模型进行了不同来流攻角情形下的模拟.与平行有限元方法相比,采用SIMPLE算法的新方法得到了更准确和更合理的结果.此新方法可以作为传统数值模拟方法的一个可靠替代和重要补充. 　　      

基于全通道耦合特征模型的高超飞行器控制研究

建立了"类X-20"高超声速飞行器的动力学模型,针对攻角、侧滑角和滚转角三通道之间的强耦合性,提出了一种同时考虑状态耦合和输入耦合的全通道耦合特征模型,基于此特征模型设计由多输入多输出黄金分割自适应控制律、微分控制律和积分控制律相结合的组合控制器.最后,分别对精确模型和干扰模型进行仿真,验证控制器的跟踪能力及鲁棒性,并与单通道控制器比较,结果表明全通道耦合特征模型控制器在高超声速飞行器姿态控制方面具有明显优越性.     

基于经验分布的区间数据分析方法

现有区间数据分析的方法通常假设数据在某一区间上服从均匀分布,这在实际数据分析中通常是不成立的.针对此问题,在原始数据来源于连续分布的简单假设下,利用经过分布函数变换后的随机变量服从(0,1)上的均匀分布,分别采用经验分布函数和核估计对原始数据的分布函数进行估计.基于此设计变换,对变换后的数据进行均匀分布的假设检验,通过检验后进行后续的区间数据分析,使得均匀分布的假定得以成立,保证了统计理论上的严谨性.数据模拟结果表明,将经验分布函数变换后的数据作为研究对象,进行区间数据分析,所得到的统计建模结果更加合理且具有较强的解释力.      

NFFD控制点分布对气动外形优化的影响

基于非均匀有理B样条的自由型面变形(NFFD)技术具有对变形对象普适性和控制点影响区域局部性的特点,广泛应用于气动外形优化。本文通过扩展控制体和合理布置外侧控制点,实现了NFFD技术在参数化曲面并改变曲面形状时,同步变形控制体内的表面网格和空间网格,并从理论上保证了控制体边界内外的网格协调。基于离散伴随方法求取梯度,分别采用拟牛顿(QN)法和序列二次规划(SQP)优化方法,通过从初始翼型NACA0012到标准翼型EH1590的反设计,研究了NFFD控制点数量和分布对设计结果的影响。在某飞翼标模单点全机升阻比优化应用中,改进控制点分布后获得了更高的升阻比,收敛速度显著提高。     

TVD格式与高超音速气动加热数值模拟

为了在化学非平衡流动中获得准确的流场解以及表面热流分布,将总变差减小TVD(Total Variation Diminishing)格式中的熵修正函数,由各向同性分布改为各向异性分布,同时让熵修正函数中的参数与流场中的压力梯度分布相关.将改进后的熵修正函数运用到高超音速化学非平衡绕流流场的数值模拟中,获得了较使用原有熵修正函数更为准确的流场参数和表面热流分布.采用改进的熵修正函数,可以提高壁面附近的粘性分辨率,降低热流计算结果对壁面附近法向网格尺度的敏感性.      

V形尾缘喷管流场与红外特性的数值模拟

采用有限体积QUICK格式和重整化群(RNG) k-ε 湍流模型,并结合壁面函数,同时利用离散坐标法DOM(Discrete Ordinates Method)计算热辐射,以灰气体加权模型WSGGM(Weighted-Sum-of-Gray-Gases Model)确定气体介质的辐射性质,求解N-S方程、固壁中的热传导方程、考虑吸收-发射性气体介质的辐射传输方程.采用此耦合计算模型对V形尾缘的收敛喷管进行了数值模拟,计算所得数据与试验吻合良好.在此基础上,对有/无V形尾缘收-扩喷管的内外流场与红外特性开展了数值模拟.结果表明:V形尾缘在尾喷流的剪切层中产生了强烈的流向涡,促进了内外流的强化混合,明显缩减了喷管出口附近喷流的红外辐射.      

模糊控制在导弹瞬态气动热流试验中的研究

导弹与高速飞行器气动模拟试验瞬态热控过程的特点是变化复杂、瞬变、高度非线性、强耦合,很难或者根本无法建立控制的数学模型.模糊控制具有鲁棒性好,对参数变化的适应性强,过渡过程时间短等常规控制方法所不能比拟的优点.将模糊控制方法应用于导弹瞬态气动加热模拟控制系统,使该系统能够按照导弹高速飞行过程中弹体表面热流的瞬态连续变化对气动模拟加热过程实施快速的动态控制.     

铝合金2A12在热冲击条件下的力学性能

测试并确定航空航天材料在复杂高速热冲击条件下的强度极限等关键参数,对于航空航天材料和结构的可靠性评定、寿命预测以及高速飞行器的安全设计具有重要的意义.针对强度设计手册中没有航空航天材料在高速热冲击环境下的强度极限等表征参数的现状,使用自行研制的高速飞行器瞬态气动热试验模拟系统,对铝合金材料2A12在多种不同的瞬态热冲击条件下,进行气动加热模拟与热载联合试验研究,得到在瞬态热、力学环境的共同作用下铝合金2A12材料的强度极限等力学性能变化状况.为研究分析航空航天材料和结构在高速热冲击环境下的承载能力和结构减重提供可靠依据.      

加力燃烧室NOx排放生成规律试验分析

实现航空发动机大推力通常采用加力燃烧室设计,燃烧室进气温度升高会同步导致排放尾气中NO_x浓度提高.采用典型加力燃烧室主稳定器的V型结构试验件,测试加力燃烧前后(进口600 ℃,出口600~1 200 ℃)燃烧室排放断面的NO_x浓度分布,通过相同流场4种试验工况的NO_x生成浓度组分和氧含量变化分析,验证了加力燃烧室NO_x生成以热力型NO为主的"高温、富氧、贫油"燃烧特性.结果表明加力燃烧室燃烧过程中消耗的氧含量大多贡献于CO₂增量,在800~1 000 ℃燃气排放温度范围内,不完全燃烧产物CO对NO的热力生成有明显抑制作用.     

航天飞机气动加热计算

介绍了国内外预测航天飞机气动加热的工程计算方法.给出了轴对称、非轴对称和机翼前缘等各种外形驻点热流密度的计算,分析和比较了平板、锥体的层流和湍流热流密度计算的各种方法,概述了航天飞机迎风面中心线和离开中心线横向热流密度的计算.计算结果表明,本文方法用在航天飞机气动热环境初步设计中比较简单并且有足够精度.     

烧蚀模型表面温度分布测量

介绍了一维表面温度分布的非接触测量仪器——扫描光电高温计的基本原理、结构、性能以及实用情况。扫描光电高温计的研制成功,使烧蚀模型表面温度测量从点温度测量拓展到一维温度分布测量,解决了突缩管壁面热分布的研究问题,测量了各种材料烧蚀模型驻点区温度分布曲线和不同材料平板模型在烧蚀试验中沿射流流向和径向的温度分布,并利用弓型导管装置对不同开槽型的石墨平板模型和喷有氧化锆隔热涂层的平板试件进行了温度场的测量。同时,还介绍了偏转装置与扫描光电高温计配合使用,一次开车试验可以测量不同位置上一维温度分布。     

后掠翼对细长体中段大迎角绕流的影响

采用在细长体顶点处添加扰动块的方式使细长体的绕流具有确定性.研究了在大迎角下,后 掠翼对细长体绕流结构和气动力特性的影响.实验结果表明,在30°迎角时,细长体中段背 风侧的流动和压力分布受到后掠翼与头部背涡的双重控制.在迎角α=40°~60°范围内 , 后掠翼对细长体中段绕流起主控作用,使细长体中段背风侧流动呈现完全分离流状态,使得 中段背风侧的压力分布保持为均值.