环形引射器两相流动数值模拟

蒸汽引射器是上面级火箭发动机进行高空模拟试验时获得真空的重要设备。采用数值模拟方法,通过Fluent对氢氧火箭发动机高空模拟试验用环形蒸汽引射器内部流场进行了研究,分析水蒸气两相流动及不同的入口工况和结构尺寸对极限真空压力的影响。考虑水蒸气的两相流动,在数值模拟中加入了水蒸气的凝结相变模型,并通过试验数据开展了模型验证,验证结果为:加入相变模型后极限真空压力降低,仿真结果更接近试验数据。在此基础上,研究了喷嘴入口工况和引射器结构尺寸对极限真空压力的影响,仿真结果表明:在引射器能够启动的条件下,降低蒸汽入口总压或提高入口总温,减小喷嘴出口壁厚或增大混合室直径,均能降低引射器的极限真空压力。因此,若想提高引射器真空度,可以通过改变入口工况或调整引射器结构尺寸来实现。     

Two Degree-of-Freedom Dynamic Theoretical Model on Tile Thermal Protection System

In order to study the dynamic behaviors of the thermal protection system(TPS)and dynamic strength of the strain-isolation-pad(SIP),a two degree-of-freedom dynamic theoretical model is presented under the acoustic excitation and base excitation. The tile and SIP are both considered as the elastic body and simplified as a mass point,a linear spring and a damping element. The theoretical solutions are derived,and the reasonability of theoretical model is verified by comparing the theoretical results with the numerical results. Finally,the influences on the dynamic responses of TPS by the structural damping coefficient of TPS,elasticity modulus and thickness of SIP are analyzed.The results show that the material with higher damping,and SIP with thicker size and lower elastic modulus should be considered to reduce the dynamic responses and intensify the security of TPS. The researches provide a theoretical reference for studying the dynamic behaviors of TPS and the dynamic strength of SIP. Besides,the dynamic theoretical model can be used as a quick analysis tool for analyzing the dynamic responses of TPS during the initial design phase.     

反向双旋涡流器受限火焰特性的流场分析

分析了反向双旋涡流器受限燃烧火焰特性所对应的流场结构特征.研究发现：反向双旋涡流器流场结构随着受限比变化而发生变化.在受限比小于3.8时,流场上中心回流泡随着受限比增大而变长,与单级旋流涡流器流场上中心回流泡的生长规律相同;但受限比的继续增大,反向双旋涡流器流场上中心回流泡的生长则表现出不同于单级旋流涡流器的规律.单级旋流涡流器流场上中心回流泡会继续生长变长,而反向双旋涡流器流场上中心回流泡会在中间某位置出现分裂,呈现出前后两个不同的回流泡.该研究结果深化了对受限程度影响流动和燃烧的物理机制的认识,同时为反向双旋涡流器的优化设计提供指导.     

碳纤维/酚醛树脂体系Z-pin加捻拉挤工艺及其性能

为了解决碳纤维/酚醛树脂体系Z-pin拉挤制品中的孔隙缺陷,实现耐烧蚀复合材料三维增强体的制备,在分析孔隙的形成与酚醛树脂的固化过程基础上,利用纤维加捻提高酚醛树脂固化压力进而改善Z-pin中的孔隙缺陷.研究表明:一定范围内,随着纤维捻度的增加,孔隙缺陷的尺寸与数量明显减少,Z-pin中树脂质量分数及可植入深度逐渐降低,而Z-pin抗压性能先提高后降低;碳纤维捻度为80捻/m时,Z-pin制品质量较好,树脂质量分数约为32%,可满足后续超声植入,常温下最大植入深度可达10mm.      

基于WENO-分段线性格式的直升机流场数值模拟

发展了一套适合于格心格式求解器的基于加权本质无振荡(WENO)-分段线性格式的旋翼/机身气动干扰高精度CFD计算方法。应用该方法对多种旋翼/机身组合模型前飞算例进行了数值模拟,计算得到的机身表面压力系数分布与实验结果吻合良好,说明了该方法对旋翼/机身气动干扰研究的有效性。之后进一步将该方法应用到悬停状态的X3构型复合式高速直升机旋翼/机翼/螺旋桨组合模型的复杂流场模拟中,并与悬停状态孤立旋翼和旋翼/机翼组合模型的流场进行了对比。研究发现:机翼对旋翼下洗流起阻滞作用,引起机翼下方不规则流动,且螺旋桨滑流与旋翼下洗流会相互干扰产生一定的偏折,旋翼下洗流速度更大,螺旋桨滑流会产生明显的向下偏折。      

分布式电推进飞机动力系统评估优化方法

以电推进飞机的动力系统作为研究对象,开展了以下研究工作：采用电力系统潮流计算方法,分析了采用高压直流供电体制的分布式电推进飞机电气系统,模拟了其在稳定运行状态与断路故障状态下的能量流动关系,同时分析了直流电压等级对电气系统的影响。搭建了完整的分布式电推进飞机动力系统仿真模型,依据基于时间和基于高度的飞行剖面,对比分析了纯电推进与涡轮电推进架构在推进功率、推进效率与航程3个评价指标上的优劣。建立了动力系统典型部件的参数化模型,并使用符号规划算法对建立的参数化模型进行了优化计算,比较了传统涡轮推进与涡轮电推进架构下动力系统质量与燃油消耗率间的优化权衡关系。研究结果为分布式电推进飞机混合动力系统的设计提供了有价值的正向设计方法。     

涡流控制在小展弦比飞翼布局飞机上的应用研究

全隐身布局飞行器采用无尾飞翼布局,此种布局具有很多优点,但是在动态特性上存在一些新的问题,造成了飞行器稳定和操纵的困难.通过对小展弦比飞翼布局飞机进行涡流控制,可以产生较大的控制力矩,从而对飞机进行纵向和航向的控制,改善飞机的操纵效率.控制力矩是非线性变化的,其大小与飞机飞行状态(迎角、速度等)以及喷流的状态(喷流速度、喷孔位置、喷流方向等)有关.将喷流产生的控制力矩应用于飞机的控制,通过对增加喷流后飞机静操纵特性的分析,表明其改善了飞机静操纵特性和隐身性能,具有较好的实用性.     

欧拉-伯努利梁平面超大挠性变形问题变分法求解

对于欧拉-伯努利悬臂梁平面超大挠性变形问题,由于其复杂的非线性几何方程,以位移为基本变量进行求解时,通常只能采用如多重打靶、微分求积等数值方法求得梁上离散点的位移值。本文研究了欧拉-伯努利悬臂梁平面超大挠性变形问题变分法求解理论。通过假设多项式形式的梁的曲率试函数以及常数中心线应变,基于欧拉-伯努利悬臂梁的基本假设,推导出了相互耦合的位移函数的精确表达式,并基于变分法理论和三角函数级数展开,推导出欧拉-伯努利梁的非线性控制方程组。利用迭代法对非线性控制方程组中的未知参数进行求解,最终得到欧拉-伯努利悬臂梁的位移函数的解析表达式。利用有限元计算结果对提出的变分法求解理论进行验证,并分别计算了欧拉-伯努利悬臂梁在自由端集中力及位移约束情况下的大变形。算例表明,基于本文的变分法求解理论,利用6个未知参数,即能够精确预测欧拉-伯努利悬臂梁在自由端集中力及位移约束下的超大挠性变形,该研究成果为欧拉-伯努利悬臂梁的超大变形问题提供了新的求解方法。     

大厚度复合材料层合板固化制度数值模拟

采用数值模拟方法研究了X850预浸料层合板的固化过程,通过对比两种不同固化制度下大厚度复合材料的固化放热过程,以及料层中心的最大温度值,对升温过程的影响进行了分析,最后与试验数据进行了对比验证.结果表明:升温速率过快导致料层中心区域温度过高,对零件质量产生不利的影响,可以通过适当减缓升温进行很好的缓解.同时,模拟结果与试验结果吻合良好,说明建立的模型符合X850预浸料的固化过程模拟要求,能够对固化过程和温度历程进行定量化的预测.     

基于航天器复杂动力学模型的鲁棒H_∞振动抑制算法

现代大型航天器柔性越来越大,为了获得更好的姿态控制性能,需要主动振动抑制.鲁棒Η∞是一种正在走向工程应用的控制器设计方法,DGKF解析法,线形矩阵不等式LMI数值法,定阶Η∞范数优化法是3种重要的算法.本文对国际空间站俄罗斯舱的有限元模型提出了振动抑制的Η∞综合问题,分别用3种算法求解鲁棒Η∞控制器.基于DGKF法的全阶次优控制器,存在零极点对消,而基于LMI法的51控制器光滑,能有效抑制零极点对消,但LMI法不是一种优化算法,两种控制器降阶为2阶时,Η∞性能衰退大于80%.基于定阶法的2阶控制器和PI控制器具有与DGKF全阶控制器相近的Η∞性能,鲁棒性分析和扰动抑制的时域仿真验证了上述结论.