MHD能量旁路超燃冲压发动机可行性分析

使用准一维模型对磁流体能量旁路超燃冲压发动机MPCE(Magneto-Plasma-Chemical Engine)进行了性能计算.考察了理想和非理想的超燃冲压发动机应用磁流体MHD(magnetohydrodynamics)能量旁路的效果,对于理想的超燃冲压发动机应用MHD反而会使发动机的性能降低;对于非理想的超燃冲压发动机,MHD的作用使发动机的比冲增加.考虑发动机工作的工程限制条件对超燃冲压发动机和MPCE的性能进行了比较,结果表明应用MHD可以扩大超燃冲压发动机的工作范围,在非设计马赫数下提高发动机的性能.计算了负载系数、通道压力系数等重要的设计参数对MPCE性能的影响,结果显示优化参数设置可以使发动机比冲增加,但是同时又会受到工程条件的限制.     

背负式S形进气道流场控制技术

通过在已有的S形进气道入口第一弯底部布置一系列类机翼的导流叶片,来改善出口流场分布,抑制旋流,减小出口畸变指数.分析了导流叶片的高度、弦长、攻角和安装位置(轴向位置和横向位置)这几个参数对S形进气道内流的影响,并利用计算流体力学(CFD)方法针对导流叶片的组数展开研究,得到最优结果.结果表明,采用优化后的导流叶片,可以有效抑制内流分离,降低S形进气道出口畸变指数,改善流场品质. 这些分析结果对于涡流发生器的设计有一定的指导意义.      

流向磁场作用下二维磁流体槽道湍流直接模拟

对低磁雷诺数近似下流向磁场作用的二维磁流体槽道湍流进行了直接数值模拟(DNS,Direct Numerical Simulation),给出了 Re=10 000时不同磁相互作用数下二维磁流体槽道湍流的近壁速度分布、湍流脉动速度均方根、雷诺应力等统计量的变化,并与中性流体二维槽道湍流进行了比较.结果表明:流向磁场作用会导致对数区上移;雷诺应力最大值随磁相互作用数呈线性变化;随着磁相互作用数的增大,下壁面平均涡量的时间演化由拟周期性向周期性转变,且脉动周期逐渐增大并当流动层流化后下壁面平均涡量成为常值.      

磁鞘等离子体密度统计建模

利用理想磁流体LFM模型的模拟数据,基于非参数统计方法对2004年11月14日03:00UT-07:00UT磁暴恢复相期间磁鞘等离子体平均密度进行建模.分析磁鞘等离子体平均密度与上游太阳风参数、行星际磁场参数及地磁扰动参数的统计关系,建立基于数据降维的经验模型.结果表明,电离层扰动强度因子、太阳风-磁层耦合强度因子和日地空间因果链耦合强度因子是影响磁鞘等离子体平均密度的三个主要方面.磁暴恢复相期间电离层上行离子是磁层环电流和磁尾等离子体的重要离子来源.建模分析过程表明,利用经验模型对空间物理过程开展建模,数据的严重多重共线性通常会导致模型的精度较差.而利用SIR和LPR建立的磁鞘等离子体平均密度随相关参数变化的经验模型可以有效解决该问题,具有较好的预测精度,统计特征显著.      

再入飞行器表面磁流体发电装置数值模拟

提出了钝锥型再入飞行器上的表面磁流体发电装置方案,采用低磁雷诺数近似下的磁流体力学模型对其进行了流动与静电场耦合的数值模拟,由此建立了表面磁流体发电装置中的物理图像.数值模拟结果表明,在典型再入条件(飞行高度46 km,速度7 km/s)下,所提出表面磁流体发电装置方案能够实现兆瓦级(电功率1.28MW)能量输出,电能提取导致再入飞行器阻力增大13.7%,对飞行器壁面总热流值的影响并不显著,但发电区域及其下游壁面的热流密度分布发生明显变化,该区域内热流密度峰值发生于电极的前、后缘.     

一类TVD型组合差分方法及其在磁流体数值计算中的应用

根据太阳风数值模拟的特点，考虑到算法的质量（收敛速度、稳定性、精度等），结合磁流体数值计算的特性，对三维球坐标磁流体动力学（MHD）方程组中的流体部分采用一种修正Lax-Friedrichs差分法而对磁场部分采用MacComack格式，发展了一类快捷的具有TVD特性的组合数值新方法，作为格式的检验，在一维情况下，将其与PPM格式进行了比较，对一维快慢磁流体激波问题得到了与PPM格式精度相同的结果，然后将其诮到定态太阳风的数值模拟上，在不同等离子体β情形下，可得到理想的太阳风定态结构，为今后将此数值模式应用到具有复杂磁场位型或三维直实太阳风暴的数值模拟研究奠定了基础。     

乘波机外形设计

计算了由锥型流理论、吻切锥理论及吻切轴对称理论生成的不同乘波机外形.结果表明,圆锥绕流流场生成乘波机外形的方法虽然比较简便,且生成的外形具有较高的升阻比,但进气道进口流场具有锥型流的性质而不够均匀,给发动机的工作带来不利影响.应用吻切锥、吻切轴对称理论与特征线方法结合起来进行反设计,可以得到更一般的乘波机外形,并且能有效地改善进气道进口流场,提高容积效率.此外,这几种方法的计算速度都很快,对进一步的优化处理及机身-发动机一体化十分有利.      

直升机发动机入口绕流的数值模拟

对直升机发动机入口处流场采用有限体积法,通过生成贴体结构化网格求解Navier-Stokes(N-S)方程, 进而对MI-171直升机低空悬停和前飞状态进行数值模拟,计算了该型直升机发动机进气道处的流场特性.然后以广义尾流入手,并引入尖涡涡核作用的半经验修正的旋翼自由尾流模型对该机发动机进气道处流场进行计算分析.对沿发动机轴线剖面以及垂至于该轴线剖面的分析结果表明,CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟方法与旋翼自由尾流分析方法均可以对涡诱导流场进行预测.     

IMF北向时太阳风粒子向磁层输运的试验粒子模拟研究

以ACE卫星实时观测数据驱动的全球磁流体模拟为背景场,选取2003年10月22－24日行星际磁场（IMF）持续北向的事件,使用试验粒子方法,对太阳风粒子向磁层输运的过程进行模拟研究,分析北向IMF下太阳风粒子注入磁层过程中粒子在磁层内的空间分布和时间演化特征。IMF北向期间,进入环电流区域的粒子在晨侧区域的密度大于昏侧,且晨侧的粒子分布范围更广。背阳面磁鞘中的太阳风粒子可以通过低纬边界层进入磁层,但很难通过南北侧磁层顶进入磁层。进入磁尾的太阳风粒子聚集形成冷而密的等离子体片（CDPS）,模拟中CDPS的空间分布和密度大小与观测数据符合。在IMF长时间北向期间,磁尾的粒子数量呈现随时间增长的趋势,并存在约20 min的小幅度准周期变化和约5~6 h的较大幅度的准周期变化。      

磁屏尺寸对霍尔推力器性能影响的仿真研究

磁屏作为霍尔推力器磁路系统的重要组成部分,其尺寸对磁感应强度分布具有重要影响。为探究其中的影响规律,以一台低功率霍尔推力器为研究对象,首先采用Maxwell有限元方法软件对磁屏在不同的轴向和径向尺寸下形成的磁场进行仿真,结果表明一组尺寸使推力器磁场位形达到最优。然后以该尺寸作为设计标准,采用PIC方法对霍尔推力器在阳极电压及气体流量分别为200 V及0.8 mg/s条件下放电通道内等离子参数分布进行仿真。最后根据离子速度和数密度等参数,计算得到推力器的推力、阳极比冲和阳极效率分别约为6.9 mN、880 s及41.89%。该仿真为霍尔推力器的磁场设计提供理论依据,为未来的实验研究提供数值参考。     

基于特征造型技术的涡轮叶片参数化设计

针对航空发动机涡轮气冷叶片的结构特点,提出了叶片参数化建模的特征分类形式.然后,利用特征造型技术开发涡轮叶片的参数化设计系统;并以直背涡轮叶片为具体实例阐述了该参数化模块的开发过程,为航空发动机典型结构件的参数化奠定了基础.      

蜂窝夹芯板超高速碰撞仿真

蜂窝夹芯板是一种多用于航天器的特殊结构,采用光滑粒子流体动力学算法(SP H)对蜂窝夹芯板进行超高速碰撞研究时主要存在2个问题:蜂窝芯的几何建模过程复杂;蜂 窝芯层非常薄,为保证仿真精度采用相等的粒子间距必然生成超过计算容忍的粒子数量.结 合参数化程序设计语言(APDL)、用户界面设计语言(UIDL)进行结构建模,编制了APDL生成蜂 窝芯的程序,采用UIDL将该程序集成到ANSYS交互式界面中,能够方便快捷的生成任意尺度 的正六边形蜂窝芯.针对此方法得到的模型,采用SPH单元与壳单元相结合的方法,其中蜂 窝芯采用壳单元,入射体、蜂窝夹芯板的前、后面板采用SPH单元,对蜂窝夹芯板进行了超 高速碰撞仿真研究.仿真结果与相关试验进行了对比,仿真得到的后板破口尺寸与试验比较 接近,证实了该方法适用于蜂窝夹芯板的超高速仿真.      

基于准则的大展弦比飞翼气动设计

从设计实际出发,为切实提高气动性能,开展了大展弦比飞翼无人机(UAV)的气动设计及分析研究.在设计分析过程中,依据飞翼无人机的特征,提出了气动设计准则;基于设计准则,采用更新设计的策略,结合变可信度数值模拟、代理模型优化方法构建了优化设计框架;针对飞翼无人机开展了参数化表达、无限插值网格自动生成以及多轮更新优化,得到了优化推荐构型;应用γ-Re_θt转捩模型方法对优化构型的气动性能进行了细致地验证分析.研究结果表明:通过气动设计,飞翼无人机设计构型很好地契合了设计准则,其巡航升阻比相比最初的原始构型提高了14%,γ-Re_θt转捩模型能较细致地分析大展弦比飞翼的流动特征.      

基于知识集成模型的产品快速设计

为提升现有CAD(Computer-Aided Design)系统对设计知识的重用能力,提出 了设计知识的分层描述和集成建模方案,并给出了具体实施方法.将设计知识划分到构型层 、设计层和造型层3个抽象层次,基于UG(Unigraphics)平台的知识熔接语言(KFL,Knowl edge Fusion Language)和Open++实现了各层设计知识的描述与集成.构建了知识集成模型 的创建和重用支撑系统框架.作为应用实例,在UG平台上开发了专用减速器快速设计系统.      

基于STEP的航空发动机工作叶片特征建模

对并行工程环境下航空发动机转子工作叶片基于特征的设计进行了研究和探索.在对叶片的结构特点进行分析的基础上,借助参数化特征建模技术,按照STEP(AP203/AP214)标准,建立了工作叶片的特征体系结构,并以此实现了一个三维实体特征建模系统.继而,在实现了模型由设计平台向分析平台的传递之后,成功地完成了模型的有限元静强度和振动分析.      

基于COM/DCOM的分布式零件参数化 设计系统的研究

为解决基于UG(Unigraphics)的零件分布式设计的问题,分析比较了UG二次开发的两种模式,提出了一种基于零件库的通用参数化设计方法.采用COM(Component Object Model)方式建立了一个基于UG外部开发的通用参数化设计组件,利用DCOM(Distributed Component Object Model)实现了该组件的网络化,并在此基础上选用分布式三层网络模型,构建了一个基于COM/DCOM的分布式零件参数化设计系统,实现了LAN(Local Area Network)下对零件进行参数化设计的功能.      

捆绑火箭气动载荷分布不确定性分析

针对带捆绑火箭气动载荷分布受飞行状态及本身外形参数变化影响存在波动的现象,提出了依据多项式混沌理论对捆绑火箭气动载荷分布特征进行全局灵敏度分析及不确定性量化的方法,并以两助推构型火箭为例对所提方法进行验证。首先,提出了捆绑火箭气动载荷分布不确定性分析的方法,并给出仿真分析流程。其次,以两助推构型火箭为例对所提方法进行验证,建立火箭气动外形参数化模型,验证气动特性分析结果。最后,对该模型开展影响因素灵敏度分析及载荷分布不确定性分析,得到了不同因素的影响程度,以及气动轴力和法向力的不确定性分布形式,分析了流场流动情况及气动载荷波动的主要原因。分析结果为捆绑火箭气动载荷波动控制提供了一定参考,通过定量描述气动载荷分布不确定性,可以有效降低安全系数冗余,为开展精确结构设计提供依据。      

子午面太阳风结构及其对日冕抛射物运动的影响

本文提出了一种求解二维理想磁流体力学方程组的组合格式-网格方法。该方法在保证一定精度的前提下稳定性好,计算量小。文中使用该方法算得了子午面太阳风的盔状流动解。以该解作为初态,研究了盔状冕旒位形对日冕抛射物运动的影响,发现该位形使得抛射物向低纬赤道方向偏转,较好地解释了观测结果。     

三角形机翼参数化有限元网格划分与调整方法

为缩短有限元建模周期,提高三角形机翼结构分析、设计与优化的效率疲,首先,以其满足预定气动性能的几何外形为输入,定义了易用的有限元节点与单元的编号规则;基于可设计的机翼内部构型参数及可变的有限元尺寸参数的设置,引入了翼肋贯穿截止准则以满足任意输入的内部构型的初步判断;借助自定义形状矩阵完成了节点布置与单元生成,进一步通过有限元网格细化完成了开口设置、翼肋贯穿位置修正及桁条建模.然后,基于已建立的有限元网格实现了内外侧副翼翼肋位置的小幅调整及旋转舵面的角度调整,以满足不同飞行状态下结构分析需求.最后,应用PCL语言开发了参数化建模模块,实例表明了方法的有效性和模块可靠性.