高超声速飞行器尾喷管的优化设计

以喷管上壁折转角、下壁长度、舵面长度及其折转角为设计变量,结合遗传算法和特征线法对高超声速飞行器尾喷管进行了优化设计,并对设计变量进行了参数研究.结果表明,所采用的优化设计方法计算效率高且比较准确,特别适合于高超声速飞行器尾喷管的优化设计;所采用的4个设计参数均能有效地影响尾喷管的气动性能,其中喷管上壁折转角和舵面折转角分别对喷管的升力和推力的影响相对明显,对其进行均衡选择方能得到最优的结果.      

Analysis of the current density characteristics in through-mask electrochemical micromachining (TMEMM) for fabrication of micro-hole arrays on invar alloy film

Invar alloy consisting of 64% iron and 36% nickel has been widely used for the production of shadow masks for organic light emitting diodes(OLEDs) because of its low thermal expansion coefficient(1.86 ? 10à6cm/°C).To fabricate micro-hole arrays on 30 lm invar alloy film,through-mask electrochemical micromachining(TMEMM) was developed and combined with a portion of the photolithography etching process.For precise hole shapes,patterned photoresist(PR) film was applied as an insulating mask.To investigate the relationship between the current density and the material removal rate,the principle of the electrochemical machining was studied with a focus on the equation.The finite element method(FEM) was used to verify the influence of each parameter on the current density on the invar alloy film surface.The parameters considered were the thickness of the PR mask,inter-electrode gap(IEG),and electrolyte concentration.Design of experiments(DOE) was used to figure out the contribution of each parameter.A simulation was conducted with varying parameters to figure out their relationships with the current density.Optimization was conducted to select the suitable conditions.An experiment was carried out to verify the simulation results.It was possible to fabricate micro-hole arrays on invar alloy film using TMEMM,which is a promising method that can be applied to fabrications of OLEDs shadow masks.     

水平起降两级入轨系统的质量估算方法及应用

针对近地轨道运输任务,考虑不同飞行阶段的推阻特性差异和不同发动机模态的比冲变化,提出了适用于水平起降两级入轨（TSTO,Two Stage To Orbit）天地往返运输系统的质量估算方法.以8 t有效载荷为任务需求,对比研究了涡轮基组合循环动力-可重复使用火箭（TBCC-RR,Turbine Based Combined Cycle-Reusable Rocket）、火箭基组合循环动力-可重复使用火箭（RBCC-RR,Rocket Based Combined Cycle-Reusable Rocket）和可重复使用火箭-可重复使用火箭（RR-RR,Reusable Rocket-Reusable Rocket）方案,分析了级间分离点、一级飞行器推阻比和一级飞行器结构质量分数等参数对设计结果的影响.研究结果表明,级间分离点设计对TSTO总体方案影响很大,若使用RBCC型飞行器作为第1级,建议在超燃冲压模态后即进行两级分离;TBCC-RR方案比RBCC-RR方案起飞总质量更小,但RBCC-RR方案一级飞行器结构质量更小;减小TSTO系统起飞总质量的最有效途径是减小飞行器的结构质量分数,其次是提高飞行器的推阻比.      

Efficient multi-response adaptive sampling algorithm for construction of variable-fidelity aerodynamic tables

Adaptive sampling is an iterative process for the construction of a global approximation model. Most of engineering analysis tools computes multiple parameters in a single run. This research proposes a novel multi-response adaptive sampling algorithm for simultaneous construction of multiple surrogate models in a time-efficient and accurate manner. The new algorithm uses the Jackknife cross-validation variance and a minimum distance metric to construct a sampling criterion function. A weighted sum of the function is used to consider the characteristics of multiple surrogate models. The proposed algorithm demonstrates good performance on total 22 numerical problems in comparison with three existing adaptive sampling algorithms. The numerical problems include several two-dimensional and six-dimensional functions which are combined into singleresponse and multi-response systems. Application of the proposed algorithm for construction of aerodynamic tables for 2 D airfoil is demonstrated. Scaling-based variable-fidelity modeling is implemented to enhance the accuracy of surrogate modeling. The algorithm succeeds in constructing a system of three highly nonlinear aerodynamic response surfaces within a reasonable amount of time while preserving high accuracy of approximation.     

边界层内WENO格式特征重构精度的理论分析

WENO格式因其高精度以及良好的激波捕捉能力而被广泛地用于可压缩湍流的数值模拟过程中。为了在有强间断的流场中仍然能保证数值稳定，通常将流动物理量投影到特征空间后再进行WENO重构。然而这种特征重构方法在边界层内的精度问题仍需要进一步分析与研究。通过可压缩边界层自相似解构造平板边界层内法向的流动参数，并在该方向上进行WENO重构，得到求解半点数值通量的WENO非线性权重。通过分析实际得到的权重与理想权重的偏差大小发现在边界层流动中特征重构的精度明显低于分量重构。为了更深入地分析特征重构精度降低的原因，通过对曲线坐标系下的流动方程进行理论分析，推导得到特征重构时的特征变量形式。根据特征变量表达式以及自相似解中权重误差分布发现引起特征重构精度降低的主要原因是特征投影过程在半点处出现了额外的极值点，同时这种因特征投影过程而产生极值的特性将不会随着左右特征矩阵的不同选取而发生改变。进一步地，基于理论分析的普适性，对于任何光滑流场，只要使用特征重构的投影过程，都会在半点处产生极值从而使得WENO系列格式产生精度降低的现象。     

横截面形状对超声速磁流体发生器性能的影响

通过三维数值模拟研究了不同横截面形状的磁流体(MHD)发生器的热、电磁流动特性,发生器入口采用超声速来流条件,旨在应用于磁流体旁路超燃冲压发动机推进系统。数值模拟采用低磁雷诺数下磁流体五方程模型,通过熵条件格式和超松弛迭代(SOR)法联合算法分别求解Navier-Stokes方程组和电势方程。研究表明在电极壁面上电场、电流以及洛伦兹力等电磁场参数呈周期性变化,由于电极端点效应,电磁场参数在电极端点出现周期性的极值,而在管道中心电极端点效应对电流影响并不大,沿着流向电流保持连续变化。对不同管道横截面形状的发生器的数值模拟表明:由于涡电流和二次流效应的影响,形状参数较小的发生器焦耳热较为严重,二次流较弱;而形状参数较大的发生器焦耳热较小,二次流增强。因此,当形状参数α=0.8时可获得较好的焓提取率和电效率。     

高速高温流场电子能非平衡的数值模拟

采用描述电子能非平衡的三温度模型,结合11组分空气的化学反应模型,对多种高速高温热化学非平衡流场开展数值模拟,并与描述电子能平衡的两温度模型结果进行对比,研究电子能非平衡对高超声速流场特性的影响。圆球弹道靶试验算例表明电子能非平衡不影响激波脱体距离。RAM-C II飞行器的4个飞行工况算例表明,尽管两温度和三温度模型结果存在差异,但二者电子数密度分布的趋势和量级接近,均可与飞行试验数据保持一致,其中三温度模型的预测效果更好。FIRE II飞行器极高温流场模拟结果显示,电子能非平衡几乎不影响飞行器表面的对流传热。     

乘波构型飞行器磁流体进气道一体化概念设计

采用准一维的磁流体方程组对设计状态下内磁流体发生器进行参数设计,利用斜激波理论设计磁流体进气道一体化的外形.以该外形为基点,对安装五对电极的内磁流体发生器采用五方程模型进行三维数值模拟,并通过调节其磁作用数以满足准一维假设下设计的进气道外形.研究表明,磁流体进气道最小出口流动均匀参数可以作为判别内发生器最优磁作用数的准则,在该磁作用数下内磁流体发生器可以有效地提高进气道的性能.      

高超声速二方程湍流模型的数值模拟对比

对基于Reynolds和Favré(密度加权)混合平均的二方程湍流模型进行了修正,同时根据数值模拟高超声速流动时必须具有高分辨率捕捉间断面与在边界层内抑制数值粘性的能力的要求,提出了新的总变差减小(TVD)格式熵修正函数.在此基础上,通过对压缩拐角的高超声速湍流的数值模拟,对基于Reynolds和Favré混合平均的二方程湍流模型,以及其它不可压缩模型及可压缩性修正模型进行了对比,显示了不同湍流模型及可压缩性修正在计算壁面压力分布和热流分布上的特点,说明了对高超声速压缩拐角型流动,湍流模型可压缩修正的必要性,得到了基于Reynolds和Favré混合平均的二方程湍流模型的计算结果最接近实验结果.      

后掠压缩斜板进气道进口流场数值研究

对一种后掠压缩斜板进气道(Caret进气道)的进口激波结构、进口流动对管道后部流场的影响进行了数值分析,对进口倒圆修形的影响、激波覆盖面也进行了讨论。数值模拟采用N-S方程和标准k-ε模型加壁面函数方法。计算结果表明:超音速情况下,由于进口存在较强的正激波,进口斜激波强度的不均匀性,对管道内部流动看不出有明显的不利影响;但两压缩面交角处的流动对管道后部流场有较大的影响。