电弧喷射推力器电磁场模拟

为了揭示电弧喷射推力器内部电磁场特征及其与高温电离气体间的相互作用机理,建立了比较完善的电磁场模型,详细讨论了电磁场数值模拟方法及其计算效果.模型同时考虑了电场力、洛仑兹力和电子压强梯度对传导电流的贡献,由电子动力学方程和粒子微观碰撞理论推导出电流方程,由麦克斯韦方程组推导出电磁场控制方程,采用包括强隐过程(SIP)迭代法在内的十种迭代方法求解离散的电磁场方程.研究表明,SIP迭代法是适用于电弧喷射推力器电磁场模拟的快速有效的方法,模型能够准确地反映推力器内部电磁场与高温电离气体间的相互作用机理.     

不同飞行状态下机体耦合桨叶的阵风响应分析

由阵风引起的动态载荷直接影响直升机的飞行品质和结构应力。为在详细设计阶段获得更加真实的直升机载荷信息,在时域中基于中等变形梁理论和非线性气动力模型建立了考虑机体和桨叶耦合效应的气动弹性模型。借助该模型对两种阵风下直升机悬停和前飞的飞行表现进行了考察,并将计算结果与孤立桨叶模型的计算结果进行了对比。在悬停状态下,当桨叶遭受向下的阵风,考虑耦合效应的模型和孤立桨叶模型中的桨根处剪切力以及桨盘的拉力系数均减小。且考虑机体耦合效应的模型计算数值小于孤立桨叶模型计算的数值。在前飞状态下,当模型添加阵风后,桨根剪切力增加,考虑机体耦合效应的桨盘升力系数减小。在前飞状态下,前进比为0.35的计算结果和前进比为0.2的计算结果不同。从计算结果来看,孤立桨叶模型计算结果偏保守。为获得更精确的阵风响应预测信息,必须考虑机体耦合效应。     

火星探测器气动热环境和气动力特性的数值模拟研究

针对探测器进入火星大气过程中的高温气体非平衡效应及其气动热环境和气动力特性的精确预测问题,考虑火星大气高温混合气体的化学反应、束缚电子能激发效应、分子振动能激发效应和非平衡效应,以及不同表面催化特性和表面温度条件的影响,建立了数值模拟热化学非平衡流场的计算方法,并通过与平头圆柱试验模型和MESUR火星探测器的试验与计算数据对比分析,验证了计算方法的可行性与有效性,然后对典型火星探测器的气动热环境和气动力特性进行了数值模拟分析。研究结果表明:1)对于本文的计算状态情况,火星探测器流场中化学非平衡效应非常严重,存在一定的热力学非平衡效应;2)热力学模型、化学反应模型和表面催化特性对气动热计算有着重要影响;3)气体模型对气动力特性的预测影响较大,表面温度条件和表面催化特性对气动力系数的计算影响较小。     

内送粉超声速等离子喷涂流场特性分析

应用流体控制方程、传热传质方程、粒子输运方程、Maxwell电磁场方程建立多场耦合数学模型,通过数值计算方法研究超声速等离子喷枪内外等离子体流动特性。所采用的内送粉三维模型包含阴、阳电极固体以及阳极边界层区域,考虑了等离子气体的电离与复合反应,以及局域热平衡效应,得到了超声速等离子喷涂在纯氩和氩氢混合气氛中的气流温度场、速度场分布以及电弧电压分布。结果表明:在加入氢之后,喷枪内等离子体温度提高了30%,速度提高了67%;喷枪外气流速度和温度在距喷嘴出口0~50mm间梯度变化大于喷涂距离50~100mm,且径向速度和温度梯度变化随着喷涂距离增大越来越小。计算得到的电弧电压与测量值相差4.4%,说明了考虑阳极边界层后计算模型的合理性。     

电磁场作用下包晶合金定向凝固过程传输模型的建立

建立了二元包晶合金在电磁场作用下定向凝固过程中多场耦合的数学模型,并根据包晶转变不同阶段的特点,提出了包晶转变中固相分数的计算办法。该模型可以计算电磁场作用下包晶合金定向凝固中的流动、传热、传质的过程,为电磁场作用下包晶合金定向凝固过程的数值计算及对实验结果的分析提供理论依据。     

硅基材料烧蚀产物对再入体流场特性影响的数值计算

针对常规再入体低温烧蚀的硅基防热材料,考虑热解效应和硅碳反应,采用24个组分57个化学反应式的空气/烧蚀化学模型,初步建立了数值模拟再入过程非平衡流场的烧蚀计算模型,并对典型简化钝锥再入体的再入绕流流场和弹道靶试验模型绕流流场进行了数值计算,分析了再入体表面温度和流场烧蚀组分等参数变化规律以及硅基材料烧蚀效应对流场特性的影响。     

考虑进排气的飞翼静、动态气动特性数值模拟

采用计算流体力学（CFD）数值模拟技术,以二维模型为例,建立了基于小幅度非定常运动的动导数计算方法,构建了考虑喷流引射效应的进排气模型、考虑管道效应的通气模型以及常规的保形模型,分别对其静态以及动态气动特性进行了数值模拟计算,并辨识了其纵向俯仰力矩系数组合动导数。研究表明:非定常动导数辨识方法较为准确可靠,相比保形模型,进排气以及通气模型的静态失速攻角（AOAs）增大,升力系数、阻力系数及俯仰力矩系数也增大,但力矩系数斜率基本不变,说明静态稳定性差异不大。而相同攻角下,进排气影响下的俯仰力矩系数组合动导数绝对值最大,表明了进排气模型具有最大的动态阻尼,而通气模型次之,保形模型的动导数绝对值最小。      

CFD/CSD方法分析动力效应对民机气动特性影响

基于Reynolds average Navier-Stockes(RANS)的三维Navier-Stokes流场控制方程耦合结构静力学方程时域分析方法,研究了带有发动机的民用飞机其动力效应对全机气动性能的影响。首先采用数值方法对发动机进排气边界条件进行了模拟,分析了带动力的涡扇发动机模型的流场,并将计算结果与实验进行比较,验证边界条件处理的准确性;以此为基础,考虑结构弹性变形,采用计算流体动力学/计算结构动力学(CFD/CSD)耦合的方法,分别对通气和带动力的翼吊发动机全机的气动性能进行了研究。结果表明:基于通气构型预测的升阻力系数,气动载荷和压心位置与考虑动力效应后的计算结果存在明显不同。弹性变形又会加剧这一差异,使得全机的升阻比下降约12.6%,升力系数下降约8.9%,压心位置后移。数值算例显示,在靠近发动机区域气动载荷受动力效应影响显著,远离该区域,弹性变形效应占主要影响因素,因此在进行带动力效应的民机气动性能分析时,考虑弹性变形的影响是十分必要的。      

考虑非平衡效应的过冷水滴凝固特性

非平衡凝固是过冷条件下水滴凝固过程的重要现象。本文针对飞机结冰过程过冷水滴的非平衡凝固效应,发展了改进的凝固特性预测模型及数值计算方法,并自行搭建了实验系统,开展了所建过冷水滴凝固模型与数值预测方法的实验验证。研究表明,所发展的改进模型可有效表征水滴过冷阶段的非平衡凝固效应,因而对冷水滴凝固速率的预测有较好的改进;当过冷度为0℃时,过冷模型退化为传统模型。基于所建方法,开展了过冷度及冷却条件对水滴凝固特性的影响分析,获得了不同条件下水滴凝固过程的温度分布及相界面变化特征。研究表明,过冷度越大或水滴尺度越小,凝固速率相对越高;在考虑非平衡凝固效应的条件下,过冷水滴凝固速率要高于不考虑非平衡凝固效应的工况。相关研究可为结冰热力学模型的改进,以及结冰特性的精细化预测提供参考。     

高超声速热化学非平衡钝体绕流数值模拟

对高超声速热化学非平衡钝体绕流进行研究,发展了高温热化学非平衡条件下的高超声速气动热数值模拟方法。采用二阶精度迎风TVD格式的N-S方程有限体积法多块结构网格求解器,考虑了空气5组分及化学非平衡效应的影响,对组分生成源项及振动能源项采用了点隐式的处理,提高了计算效率。对球锥模型和RAM-CII飞行实验等算例进行了数值气动热模拟,分析了不同非平衡模型在热化学非平衡条件下流场的影响。计算结果表明建立的数值模拟方法具有较高的精度。     

微波等离子推力器同轴谐振腔内的电磁场特性

为了研究同轴谐振腔内导体的头部形状、位置对腔内电磁场分布的影响规律,用时域有限差分法(FDID)对微波等离子推力器(MPT)TEM谐振模式的同轴谐振腔中的电磁场进行了数值模拟,并结合实验现象对数值模拟的结果进行了分析讨论。结果表明,内导体头部形状的改变,改变了同轴腔内电磁场的分布规律和电场强度最大集中区域的位置。内导体位置的改变,只改变电磁场强度的大小,且内导体愈接近同轴腔的底面(即：放电间隙δ愈小),腔内电场强度愈强。同时,锥形头部的内导体,更有利于MPT的启动和稳定工作,为采用同轴谐振腔的MPT工程样机的研制提供了依据。     

基于Maxwell的电动汽车轮毂电机电磁损耗特性分析

电动汽车轮毂电机经常要在复杂的运行工况和恶劣环境下运行,导致轮毂电机电流和内部电磁损耗不断发生变化,对电机温升分析和可靠运行产生严重影响。以1台4 kW轮毂电机为例,利用Maxwell电磁有限元分析软件,建立轮毂电机的电磁有限元模型并对电磁场进行计算。通过选取加速和过载中常见的8种工况进行计算,分析了轮毂电机各部件的电磁损耗分布状态和数值变化规律。由分析结果可知,定子铁耗随转速的上升而增加,随过载倍数增加的变化不大;转子产生的铁心损耗可以忽略不计;永磁体涡流损耗同时随着加速和过载的增加而增加,但加速工况产生的影响更强;绕组铜耗主要受过载倍数变化的影响,占总损耗的比重最大,是主要热源。研究结果为轮毂电机温度场的分析和冷却结构的设计提供重要的参考依据。     

圆弧型指尖密封迟滞特性的数学计算方法

为了预测指尖密封迟滞特性，提出了用能够直观反映指尖密封迟滞特性的最小迟滞量来表征指尖密封的迟滞，建立了指尖密封最小迟滞量计算的数学模型，确定了模型中的修正系数，并进行了试验验证，采用修正后的计算模型研究并获得了结构和工况参数对指尖密封迟滞的影响规律。研究结果表明:采用修正后的模型进行考虑迟滞效应的泄漏特性数值计算与试验结果误差最大为7.64%，最小迟滞量的计算模型合理可靠；指尖密封结构参数对其最小迟滞量影响程度从小到大依次为:指梁型线圆、指梁间隙、指梁根圆、指梁顶圆、指梁基圆、周向角、指尖片厚度。研究结果为进一步开展迟滞对指尖密封泄漏特性影响和指尖密封结构优化设计的研究提供了依据和理论基础。      

GTCP131-9A辅助动力装置性能参数换算公式研究

对GTCP131-9A辅助动力装置（APU）性能参数（排气温度和燃油流量）换算公式展开研究。提出了一种研究燃气轮机相似性的通用方法。采用这种方法得出了构成该单转子定轴燃气轮机相似的充分条件是需要有3个相互独立的相似准则数相等,这3个相似准则数可以是飞行马赫数、折合转速、折合功率,其他相似参数是这3个相似准则数的函数。根据该发动机相似性,采用小偏差法,给出了试车过程中存在的排气附加阻力、燃油热值偏差和功率偏差的性能参数的小偏差修正方程。结果表明:在输出功率和大气压力比值为定值的条件下,GTCP131-9A辅助动力装置性能参数换算公式是进气总温多项式与排气附加阻力修正项、燃油热值变化修正项、功率变化修正项之和。      

基于模糊控制的惯性测量单元温控系统数值分析

针对捷联惯性测量单元(IMU)温控系统的高精度、高滞后性和时变性,提出一种基于CFD技术的捷联IMU模糊PID控制器设计方法.首先,对某型号IMU的热量传递机理进行分析,建立IMU传热特性三维数值计算模型,借助CFD软件Fluent的UDF功能实现对IMU数学模型温控系统的模糊PID控制.最后,通过改变环境温度获得IMU数学模型在瞬态计算条件下的温度分布规律,并将IMU不同部位的温升值与试验结果进行对比,分析温度分布对惯性仪表的影响.研究结果能为IMU温控系统的改进和优化提供依据.     

双旋翼微型飞行器的非定常气动特性

发展了一种基于计算流体力学(CFD)的非定常气动特性预测方法,计算方法包括了动量源模型、预处理方法、非结构嵌套网格和Spalart-Allmaras(S-A)湍流模型等技术.通过计算悬停Caradonna-Tung算例和俯仰振荡NACA0012算例,验证了计算方法模拟双旋翼微型飞行器动态流场的有效性.数值模拟了双旋翼微型飞行器动态流场,给出了非定常气动系数的迟滞曲线,分析了缩减频率、前飞速度和螺旋桨转速对非定常气动特性的影响.计算结果表明:力矩系数迟滞效应随缩减频率、前飞速度和螺旋桨转速增大而增大,升力系数迟滞效应随缩减频率和前飞速度增大而增大,但基本不随螺旋桨转速变化而变化.      

非失速二维振荡叶栅非定常流动数值模拟研究

进一步完善了非定常雷诺平均N-S方程求解程序,借助快速网格生成方法,对周期性俯仰运动下NACA0012叶栅的非失速绕流问题进行了数值模拟研究,并分析了振荡叶栅的迟滞效应以及俯仰运动各个参数对迟滞效应的影响.数值模拟结果与实验结果对比表明,本文发展的数值模拟方法是可靠的;结果还表明,随着振幅,折合频率的增加迟滞效应增强,平均攻角对迟滞效应无影响;保持无量纲参数--振幅和折合频率的乘积--恒定时,迟滞效应相同.     

离子推力器放电腔内等离子体流动规律的全粒子模型

为了详细描述等离子体在放电腔内的产生、演化过程,建立了放电腔内部等离子体流动的二维轴对称全粒子数值模型。在考虑壁面二次电子发射影响的前提下,模拟得到了稳态后放电腔内电磁场、电子与离子数密度,电流密度等一系列参数分布,且与相关实验数据进行了比较,吻合较好。模型得到了实验中难以观测到的放电腔内等离子体的产生、演化过程以及稳态下的分布规律,合理解释了放电腔工作的基本原理。     

涡轮缘板阻尼块摩擦接触特性研究

为了研究航空发动机涡轮缘板阻尼块的摩擦接触特性,减小涡轮叶片的振动,采用带圆角的平板接触理论模型进行数值模拟,推导接触面正压力及切向力的分布,研究接触模型的几何参数对迟滞曲线、切向刚度和能量耗散的影响规律。结果表明:接触面率为0时,存在最大能耗曲线和最大能耗点,并且随着接触面率的增大,迟滞曲线所围面积逐渐变小,每周期能量耗散逐渐减小;其他参数不变时,接触刚度随法向力的增大呈非线性增大。     

低功率氩电弧喷射推力器中的辐射

为了研究低功率氩电弧喷射推力器中的辐射损失,采用辐射模型和非辐射模型对其工作过程进行了对比数值模拟分析。采用二阶精度无波动、无自由参数的耗散差分格式(NND格式)数值求解耦合电磁源项和辐射源项的N-S方程组,并采用隐式残差光滑法加速收敛;采用有限控制容积积分方法离散求解椭圆型偏微分电磁场方程,并采用逐点超松弛迭代方法加快收敛速度。数值模拟结果对比给出了辐射模型和非辐射模型流动分布情况,并比较了两种模型推力器推力、比冲和推进效率。研究结果表明,与非辐射模型相比,辐射模型比冲低0.137%,推进效率低1.03%,辐射对低功率电弧喷射推力器性能影响比较小。