减压器动态仿真的有限体积模型

通过对一维理想气体流动的有限元状态变量模型推导过程的拓展，获得了适用于变体积容腔的气体容积模型，并结合气体管道、气体阀门的有限元状态变量模型，通过对三者的组合运用发展了一种可仿真气体减压器动态工作过程的有限体积模型。采用此模型分别对某逆向卸荷膜片式减压器和某贮箱增压系统所用减压器进行了动态工作过程的仿真，前者仿真结果的稳态值与早期文献的实验数据和仿真结果相一致。表明有限体积模型的稳态精度合乎工程需要；后者的仿真获得了减压器各个腔室状态参数和阀芯开度的响应曲线，表明贮箱增压过程可以分为启动段、稳定段两个阶段，同时表明在理想气体绝热流动的假设下节流前后温度基本不变。数学模型和建模方法显示出良好的有效性和通用性。     

减压器增压过程中的振荡抑制措施

为解决大流量减压器在增压过程中出现的剧烈振荡问题,开展了仿真和试验研究.建立了减压器非稳态模型并开展数值计算,得到了减压器的振荡特性,该特性与试验结果基本一致.根据仿真结果提出了卸荷腔气体从入口管路引入的外置式卸荷方案.结果表明:该方案成功解决了振荡问题,减压器能够持续、稳定地增压.     

外激振动条件下气体减压器工作稳定性仿真研究

为研究运载火箭增压系统中减压器在外激振动条件下的工作稳定性,在减压器模型中通过壳体位移坐标引入振动激励源,建立了可模拟减压器在外激振动条件下工作过程的计算模型,对外激随机振动条件下增压系统动态工作过程进行了仿真.针对仿真发现的减压器下游压力振荡的不稳定现象,对减压器下游不同管路尺寸和减压器不同参数下的系统工作过程进行了对比计算.计算结果显示:增大减压器下游管路尺寸,减小减压器阀芯组件质量与减小阀芯组件与壳体间滑动摩擦力,都可以使压力振荡过程减弱,有利于改善减压器在外激振动过程下的工作稳定性.计算结果为减压器及增压系统的设计和优化提供了参考.      

减压器动态过程的数值仿真

针对贮箱增压过程和发动机工作过程中减压器的动态调节,建立了液体火箭发动机常用的反向卸荷式减压器的动态数学模型,采用四阶龙格-库塔方法进行了数值仿真,分析了减压器在启动增压过程中的动态特性,得到不同入口压力下减压器的出口压力与试验数据相一致的结论。表明所建立的数学模型准确,采用的仿真方法符合精度要求,对同类减压器的设计和系统分析具有一定的指导作用。      

基于数值模拟的大流量减压器内部流场的特性研究

针对大流量气体减压器,建立了减压器工作过程的二维数学模型,基于成熟软件平台FLU—ENT进行数值仿真,研究了减压器内部稳态流场,发现减压器内存在两种典型的流动状态——超临界流动和亚临界流动,分析了不同流动状态下的流场特征,揭示了减压器内气体流动的内在规律。     

单孔容腔瞬态充气换热的理论分析方法

换热对于容腔瞬态响应过程有显著影响，而目前缺乏分析容腔瞬态过程换热的通用方法，导致容腔瞬态响应模拟精度较差。针对这一现状，基于自由射流、冲击射流及外掠平板换热理论，提出了一种模拟非绝热单孔容腔瞬态充气过程换热的理论方法。应用该方法模拟了容腔压力和温度的瞬态响应过程，并与试验数据进行了对比。结果表明：该理论方法的模拟结果与试验数据吻合很好，压力最大相对误差不超过3%，温度最大相对误差不超过1%，验证了理论方法的可行性和准确性。而绝热模型的模拟结果与试验数据相比，压力和温度的最大相对误差分别可达12%和14%，等温模型的压力和温度的最大相对误差分别可达6%和7%，说明理论方法显著提高了容腔瞬态响应模拟精度。同时，理论分析方法不仅具有较强的通用性，还能够极大地降低分析容腔瞬态换热的成本，可以有效支撑空气系统非绝热容腔元件建模。     

减压器关闭过程内部流场的动态仿真和特性分析

针对自主研制的大流量减压器,采用动网格技术和流固耦合仿真技术,将气体的流动和活动组件的运动耦合起来,实现了关闭过程中内部流场的动态仿真,描述了关闭过程减压器内压力和速度变化过程,掌握了流场中波系、回流区的演化情况。同时,通过对流场中不同位置参数进行监测,分析了监测点各参数随时间的变化情况,以及流量和开度的实时变化情况,研究了基于动态流场的关闭过程动态特性,揭示了影响动态特性的内在因素。     

多容腔耦合的瞬态响应实验研究

为了研究多容腔耦合的瞬态响应特性,结合航空发动机空气系统结构特点,搭建了包含容腔、管道、孔等多个元件组成的系统级实验台,并开展了实验研究。同时,引入滞后时间、响应时间和响应时间系数三个评价参数,用于定量分析系统响应过程的快慢和强弱。实验分析了多容腔耦合响应过程的主要影响因素,获得了不同位置气流压力的时间响应曲线以及响应时间。实验结果显示:容积效应对腔压的变化具有明显的延缓作用,并且每个测点的延迟时间不一致,越远离扰动源滞后时间越长;响应时间与扰动压力及转盘转速相关,扰动压力越高压力响应时间越长,旋转流动对气流参数的变化具有延缓作用,在实验工况下转速提高一倍,旋转盘响应时间增加约0.5s,增幅大于10%。     

发射发动机气动分离机构设计与试验

对发射发动机气动分离机构工作过程进行数值仿真，着重分析了突缩突扩气流不等熵流动过程的流量计算方法，给出了内弹道p-t曲线、活塞腔压强p-t曲线、推力F-t曲线、分离剪切力Fτ－t曲线和分离时间的预示结果，并通过真实发动机试验获得验证。计算与试验结果为分离机构设计与分析提供了依据。     

航空减压器输出特性回归分析及参数优化

为研究某型航空双级气体减压器设计参数对输出特性的影响规律,建立减压器AMESim模型并与测试结果对比验证;采用响应面法获得减压器设计参数与输出特性的二次回归模型,分析减压器设计参数的影响;利用带精英策略的快速非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对二次回归模型进行优化,得到最优设计参数。响应面结果显示:反馈孔面积是影响输出压力超调量的关键因素,与阀芯密封处动泄漏面积的交互作用对超调量影响显著;阀芯质量是影响输出压力脉动强度的关键因素,与弹簧刚度、膜片刚度的交互作用对脉动强度影响显著。优化结果表明:减压器二级结构的阀芯质量、反馈孔面积、主弹簧刚度、副弹簧刚度、阀芯密封处动泄漏面积和膜片刚度分别为52.26 g、9.06 mm2、67.27 N/mm、10.68 N/mm、0.64 mm2和89.49 N/mm时输出特性达到最优,优化后输出压力超调量降低了28.72%,脉动强度降低了40.63%。      

旋转盘腔瞬态响应特性的研究

为保证发动机在飞行包线内正常运转,需研究旋转盘腔的瞬态响应特性。采用1-D模型方法和计算流体力学(CFD方法对旋转盘腔进口压力突升的情况进行非稳态数值计算,所得结果与文献中的结果进行对比,提出1-D模型方法的一些缺点,并证明了CFD计算的正确性。然后用CFD方法并通过用户自定义函数(UDF编程研究了进口压力渐增、正弦变化以及盘腔尺寸对旋转盘腔流动瞬态响应特性的影响。结果表明:1-D模型的计算结果不能显示出CFD模型计算结果的一个高阶震荡;进口压力以不同方式变化,瞬态响应存在不同程度的滞后;进口压力突增和进口压力渐增响应的特征时间比进口压力正弦变化的特征时间分别增加56.0%和106.4%盘腔宽径比由0.2变化到0.39时,腔内均压变高,出口质量流量变低,特征响应时间缩短至40%当宽径比由0.2变化到0.58时,特征响应时间缩短至25%。     

超燃冲压发动机燃烧室流场数值模拟

对台阶和凹腔组合的超燃冲压发动机燃烧室结构进行了数值模拟分析。在冷态流场中,分析了组合结构流场特性和激波特点,同时对以氢气为燃料的燃烧室流场进行了数值模拟。模拟结果表明：台阶下游和凹腔处存在有利于燃烧和火焰稳定的回流区,能够增强凹腔卷吸的效果,从而可以增强燃料的混合;在燃烧流场中,凹腔是火焰稳定的主要区域,燃烧效率较高,此结构能够很好地起到增强燃烧的作用。     

转静盘腔流动瞬态响应特性研究

以航空发动机转静盘腔内非稳态流动为研究对象,基于用户自定义函数编程设置进口压力按斜坡函数变化时的非稳态边界条件,利用数值模拟方法,在滞后效应、流场演化和物性参数方面,研究了不同无量纲跃升幅值下转静盘腔流动瞬态响应机理。结果表明:无量纲跃升幅值由1.05增至1.2,盘腔内部的当地响应时间延长了81.1%,相对总温的超调量增加了157.0%,其峰值时间增加了31.3%,且进口压力波动的传播方向总是由进口指向出口;瞬态过程中,转静盘腔的容积效应和旋转效应共同作用使出口流量明显滞后进口流量,且其滞留质量流量与相对总温的超调现象密切相关;冲击射流、旋转贴壁射流和静子壁面侧的涡系构成了盘腔流场演化的主体,无量纲跃升幅值越大,流场演化过程越剧烈,响应时间越长;声速和热扩散率与盘腔响应速度密切相关。     

TBCC进气道变几何泄流腔研究

提出了一种用于内并联型涡轮基组合循环(TBCC)进气道全马赫数范围的可变几何泄流腔方案,给出了可变几何泄流腔的设计方法;研究了泄流腔及其几何特征参数对进气道流场特征和气动性能的影响,获得了几何特征参数对进气道气动性能的影响规律.最后,采用三维流场数值模拟手段,对泄流腔可变型面参数随飞行马赫数Ma₀的调节规律和进气道在全马赫数范围内的气动特性进行了研究,结果表明:泄流腔开启之后,随着Ma₀的增加,泄流腔进口宽度和喉道高度不断减小,且均呈前急后缓的减小趋势;在Ma₀≤2.0和Ma₀≥2.5时,泄流腔进口前角均随Ma₀的增加而减小;当Ma₀≤2.5时,进气道的总压恢复系数均在0.8以上,当2.5<Ma₀≤4.5时,进气道的总压恢复系数均在0.3以上,符合进气道总体方案的要求;冲压模态下,冲压通道的出口马赫数均小于0.4,出口静压均大于0.5个标准大气压(50.6625kPa),均能满足冲压燃烧室的燃烧需求.结合高速风洞试验研究结果,印证了可变几何泄流腔方案的可行性.      

基于ProCAST的高Nb-TiAl合金叶轮熔模铸造

通过铸造模拟软件ProCAST实现高Nb-TiAl合金叶轮熔模铸造充型凝固过程的模拟仿真,研究浇注充型工艺对合金熔体充型、缩孔缩松等充型凝固特性的影响,优化相应工艺;进行浇注实验与铸件的无损检测分析,并进行铸件的解剖分析验证缩孔缩松分布;使用附注试棒研究叶轮在室温和高温下的力学性能。结果表明:ProCAST软件对高Nb-TiAl铸件缩孔缩松预测较为准确,通过模拟仿真预测结果优化了工艺方案从而避免了铸件中大尺寸缩孔缩松的形成,在最终的铸件中只存在尺寸小于22μm的显微缩孔;所有铸件均实现完整充型,铸件室温抗拉强度约580 MPa,850℃高温抗拉强度约450 MPa。     

正弦波激励下刚性开孔结构内压响应特性实验

利用声音振动发生原理研制了专门用于内压机理研究的实验装置,对单一开孔的刚性结构在正弦波气压激励下的内压动力特性进行了多参数对比实验。实验研究结果表明：开孔结构在外部动压力作用下会发生腔体共振,随开孔面积增大,腔体共振频率增大阻尼比减小;随孔口深度及内部容积增大,腔体共振频率减小阻尼比增大;对于深宽比很小且开孔面积相同的孔口,孔口形状对腔体共振频率影响不大,对阻尼比有一定影响。     

固体火箭发动机气动喉部非定常过程

利用流体计算软件FLUENT,通过UDF编程对气动喉部调节固体火箭发动机推力的典型工作过程进行了数值模拟。对推力调节过程中的瞬态轴对称燃烧室流场进行了分析,得到了压强-时间曲线。分析了发动机空腔容积、二次流喷射角度对推力响应特性的影响,并得到了典型的推力-二次流总压调节特性曲线。其研究结果可为利用气动喉部技术的变推力发动机设计提供一定依据。     

MCGA-assisted ignition process and flame propagation of a scramjet at Mach 2.0

The ignition process and flame propagation with ethylene fuel in cavity-stabilized scramjet by a Multi-Channel Gliding Arc(MCGA) at Mach 2.0 were investigated. Effects of equivalence ratios on the MCGA-assisted ignition process and flame propagation of the scramjet were recorded by two high-speed cameras from different view angles. The discharge characteristics of MCGA are also collected synchronously with the high-speed cameras. The distributions of temperature, velocity, and equivalence ratios...     

面向航空铝合金薄壁深腔构件的冲击液压成形工艺优化

为实现冲击液压成形下LY12铝合金薄壁深腔构件的一道次成形,采用响应面法结合冲击液压成形实验进行成形中的工艺参数优化研究。以减薄率和贴模率为响应量,压边力和冲击压力为优化变量,建立响应量与优化变量间的响应模型。选择中心复合设计法进行实验设计,通过Design Expert 12软件设计实验方案,分别建立关于减薄率的一阶响应模型和关于贴模率的二阶响应模型。优化结果表明当压边力为1.443 MPa、冲击压力为12.594 MPa时可满足减薄率和贴模率优化条件。通过验证实验得到的筒形件其减薄率和贴模率与预测值相对误差不超过5%。研究结果表明建立的响应面模型准确性和预测性良好,采用优化后的工艺参数成形的筒形件满足减薄率和贴模率要求。