A self-similar solution of a curved shock wave and its time-dependent force variation for a starting flat plate airfoil in supersonic flow

The problem of aeroelasticity and maneuvering of command surface and gust wing interaction involves a starting flow period which can be seen as the flow of an airfoil attaining suddenly an angle of attack. In the linear or nonlinear case, compressive Mach or shock waves are generated on the windward side and expansive Mach or rarefaction waves are generated on the leeward side. On each side, these waves are composed of an oblique steady state wave, a vertically-moving one-dimensional unsteady wave, and a secondary wave resulting from the interaction between the steady and unsteady ones. An analytical solution in the secondary wave has been obtained by Heaslet and Lomax in the linear case, and this linear solution has been borrowed to give an approximate solution by Bai and Wu for the nonlinear case. The structure of the secondary shock wave and the appearance of various force stages are two issues not yet considered in previous studies and has been studied in the present paper. A self-similar solution is obtained for the secondary shock wave, and the reason to have an initial force plateau as observed numerically is identified. Moreover, six theoretical characteristic time scales for pressure load variation are determined which explain the slope changes of the time-dependent force curve.     

形状记忆合金变刚度结构振动控制仿真研究

为了实现Ti50Ni41Cu9形状记忆合金(SMA)用于复杂结构振动控制的动力学分析,掌握变刚度振动控制的机理和控制规律,基于Kelvin-Voigt粘弹性本构关系,建立了适用于动力学分析的SMA本构模型,并通过ABAQUS编写材料本构程序,形成有效的SMA结构动力学有限元仿真方法,实现了多参数影响下SMA结构的非线性稳态和瞬态动力学仿真计算。计算结果表明:SMA的宏观本构模型能够较好地反映材料动力学性能的变化特征,编制的UMAT子程序与试验数据吻合较好;变刚度控制可以有效降低定频激励引起的稳态响应,对于悬臂板结构响应降幅在40%以上;控制速率与响应的最终变化程度无关,但会引起系统非线性特征,从而影响控制过程需要的时间;采用对向变刚度控制可以降低跨越主频的瞬态振动响应,变温速率越快,系统的峰值响应越小,快速变温时会产生自发频带现象,其对主频能量有显著分散作用,可以一定程度上抑制最大响应峰值。     

边倒圆型气膜孔流动换热特性研究

为提高涡轮叶片气膜冷却效率,根据主流与射流间的相互作用关系,并以圆柱型气膜孔为基础,在气膜孔出口前缘位置进行边倒圆处理,同时对该新型的边倒圆型气膜孔结构进行了实验及数值计算研究。分析了边倒圆型气膜孔的流动换热机理,得到了新型气膜孔下游全表面气膜冷却特性分布及气膜孔的流量系数。结果表明:边倒圆型气膜孔内流动均匀,出口涡强度有所降低,进而能够减弱主流通道内的反转对涡强度;同时由于边倒圆孔的扩张作用使得射流法向动量降低、展向动量增强,从而提高气膜冷却效率。边倒圆型气膜孔的孔下游区域气膜贴壁性较好,气膜展向覆盖面积较大。相比于圆柱型气膜孔,边倒圆型气膜孔下游区域换热系数较高,远孔区域换热系数较小。新型气膜孔的流量系数比圆柱型气膜孔约大5%,孔内流动损失较小。整体上看,边倒圆型气膜孔具有较好的流动换热特性。     

小型感性耦合射频等离子体中和器的实验研究

为了研究适用于百瓦级电推力器的离子束流中和技术,基于电子鞘层模型、射频等离子体最优放电技术和通过插入探针实现快速点火的方法,设计了一套小型感性耦合射频等离子体中和器(RF plasma neutralizer,RPN)。实验研究了RPN中和器的稳定工作条件和电子引出特性,实现了RPN中和器稳定工作和电子有效引出。实验结果表明:电子引出特性主要取决于发射孔附近阳极斑的形成与否,而阳极斑的形成又主要受结构设计、工质流量和偏置电压等运行条件的影响;通过对RPN运行条件的优化试验,获得了55~150m A可调电子束流范围和较高的工质利用系数(3.9~10.5),满足离子束流中和需求;另外,实验中还观察到了电子束流随工质流量或偏置电压的迟滞现象。     

改进的Neumann-LU混合法在失谐整体叶盘随机分析中的应用

为了降低失谐整体叶盘的随机分析矩阵求逆的计算成本,提出一种基于Neumann级数和LU分解的改进Neumann-LU混合法。一方面,在非共振频率附近的大区域采用Neumann级数频域展开式以提高计算效率;另一方面,在共振频率附近小区域采用LU分解法以提高计算计算精度;根据Neumann级数展开项数来选定自适应阀值,实现两种矩阵求逆方法的自动转换而不用消耗额外的计算资源。选取具有失谐特征的整体叶盘为研究对象,分别运用改进的Neumann-LU混合法和单一LU分解法求解叶片在阶次激励下的频域响应,并从计算效率和计算精度方面进行比较。研究结果表明,在保证计算精度误差不大于0.1%的前提下,改进的Neumann-LU混合法可以提高失谐整体叶盘随机分析大约55%的计算效率。     

三级轴向旋流燃烧室流场结构研究

为深入了解燃烧室内流场,研究不同来流状态对燃烧室流场结构的影响,基于粒子成像速度仪(PIV)技术,对采用三级轴向旋流器的航空发动机燃烧室进行流场测量,分别在Case 1常温低压(0.49MPa)、Case 2常温中压(0.98MPa)、Case 3常温高压(1.64MPa)、Case 4全状态(高温813K高压2.78MPa)来流条件下进行。研究结果表明,同一燃烧室模型在不同速度、温度和压力来流下有基本相同的流场结构,但在中心回流区尺寸、角落回流区尺寸、主燃孔和掺混孔射流等细节方面仍有明显差异,来流压力较高的流场中心回流区向下游扩展更深入,角落回流区被压缩,主燃孔和掺混孔射流速度增加且进气比例增大。     

PATR发动机关键技术与性能提升途径初探

PATR发动机是针对临近空间高速投放平台、水平起降两级入轨重复使用航天运输器之一级而提出的一种组合发动机。此发动机具有工作速域宽、模态简捷、推质比高及性能优等优点,是组合发动机发展方向之一。介绍了PATR发动机及其特点,分析了影响系统研发的系统设计、高效换热、高效涡轮机、材料及工艺等关键技术。在此基础上,提出了优化系统方案和部件参数等提高发动机性能的途径。     

新型消旋波瓣混合器射流掺混机理研究

为了消除高进口预旋时波瓣混合器表面流动分离,将基准波瓣混合器侧壁直叶瓣设计成类叶型式的折转叶瓣,形成一种新型消旋波瓣混合器。研究了多种进口预旋工况下消旋波瓣性能参数、涡系发展以及射流掺混机理与基准直波瓣的异同。结果表明:新型消旋波瓣改善了进口预旋工况下波瓣吸力面压力分布;重新组织了波瓣出口截面气流周向角度的径向分布。在进口预旋超过10°以后,消旋波瓣混合器的总压损失以及波瓣式喷管的总压损失均小于基准直波瓣。消旋波瓣混合器在高进口预旋时性能优异,波瓣出口截面周向气流确实加速了下游射流掺混。     

径向进气系统设计探讨及实验研究

对于双轴压气机实验平台径向进气系统,为研究蜂窝器改善系统供气品质所发挥的作用,应用数值模拟对蜂窝器在进气道的布置位置进行研究,并应用五孔探针实验测量了含有蜂窝器的进气系统过渡段处的气动参数。模拟结果显示蜂窝器布置在弯头的前部及中部均能有效改善流动。实验测量结果显示气流偏航角小于2°,总压、静压及马赫数周向分布均匀,总压恢复系数大于98.3%。实验结果与模拟结果吻合较好,验证了数值研究方法的可信度和可靠性,同时也证明该进气系统的先进性。     

三维超声速压力反问题的特征线求解技术

为了进一步探索三维超声速气动反问题的求解方法,基于双特征线理论及Butler解法,研究了三维超声速流线压力反问题的适定性。为了确保解的唯一性,提出在限定壁面膨胀/压缩方向时存在壁面压力与三维坐标的一一映射关系。基于该映射关系,提出了三维压力反问题的双特征线求解技术(iMOC-3D求解器)。采用Prandtl-Meyer膨胀波、Busemann进气道的理论解,对iMOC-3D求解方法的膨胀、压缩过程进行了精度评估,误差均为1×10~(-4)量级。为了进一步验证设计方法的可靠性和易控性,设计了进口为矩形和三角形的超声速喷管;通过设计壁面压力分布,完成了均匀膨胀的轴对称喷管设计,并将设计结果与数值模拟进行对比验证。研究表明:预设三维流线下游未知点的压力值,存在多个流动方向满足该压力条件,即该问题的解不唯一,因此三维超声速流线压力反问题是非适定的。对比验证表明:所设计的流场与CFD计算得到的等值线符合得较好,流场参数的最大误差为1%。因此,所提出的双特征线解法具有一定的可靠性,有望为三维超声速流道设计提供新思路。