固体火箭发动机喉衬用轴编C/C复合材料的烧蚀及热结构特性研究进展

固体火箭发动机喉衬用轴编C/C复合材料的工作环境面临高温、高压、高速燃气流和大量凝聚相颗粒的烧蚀和冲刷,对材料的抗烧蚀性能和热结构特性要求十分严格。因此,从烧蚀实验和热结构特性实验研究、热结构特性预测与气体-颗粒两相流数值模拟三个方面,论述了轴编C/C复合材料的烧蚀及热结构特性研究进展。总结讨论了实现真实烧蚀工作环境的模拟和影响烧蚀实验参数的控制是高温烧蚀实验的难点,对于铝颗粒添加下工况的烧蚀实验和在细观尺度下热结构特性参数的测定实验是重点;提出从实验件类型、实验系统设计和对比有无铝颗粒添加下的工况进行烧蚀实验;提出采用一种热稳定性材料取代界面的实验方案进行热结构特性参数的测定实验。在热结构特性研究的细观尺度方面,组分材料之间的界面对热结构特性的影响有待深入研究,提出在代表性体积单元模型的基础上引入温度的周期性边界条件来实现热结构参数的预测。在气粒两相流数值模拟方面,发动机内不同相之间相互耦合作用以及对轴编C/C复合材料的机械侵蚀是数值模拟研究的难点,提出使用SDPH-FVM耦合的方法去解决内流场燃烧流动的问题,进一步可用来揭示内流场燃烧流动机理。     

基于航空煤油重整的SOFC-GT混合动力系统性能

建立了基于航空煤油重整固体氧化物燃料电池-涡轮发动机（SOFC-GT）混合动力系统仿真模型,比较了两种回热方式的重整装置以及不同涡轮布置位置时的系统性能变化,优选出最佳的混合动力系统架构。进一步分析了压气机压比、燃料利用率、燃油流量以及空气流量等运行参数对SOFC-GT混合动力系统性能的影响。研究结果表明：设计点工况下,最佳混合动力系统的发电效率能达到45%,体现出良好的系统性能;当燃料利用率为082时混合动力系统的效率和功率最高;随着燃油流量(0051 1~0058 4 mol/s)的增加,混合动力系统的效率和功率均增加;而随着压气机压比(25~33)或者空气流量(37~44 mol/s)的增加,混合动力系统的效率和功率都减小。     

超燃燃烧室一维释热分布模型研究

为了预估超燃冲压发动机燃烧室内的释热分布,针对带凹腔稳焰器的燃烧室,总结了射流混合情况、来流温度和当量比对释热分布影响的实验规律,提出了主燃烧区的概念和分段线性拟合的建模思路。模型被分为隔离段、横向射流、燃烧室释热分布、主燃烧区反压四个部分。通过压力前推,进行代数的迭代计算,能够快速得到燃烧室释热分布的一维模型。利用实验图像和仿真计算数据,对模型得到的释热分布与燃烧效率进行了验证,模型可适用于隔离段来流2.1马赫以上的工况,且模型结果与仿真结果相关系数达到了0.9以上。     

发动机轴承内环装配工艺对转子动力学特性影响的试验研究

试验研究航空发动机高压涡轮后支点轴承内环的装配工艺对转子支承系统振动特性的影响。改变转子轴承内环和内环衬套的配合公差与轴承内环锁紧螺母拧紧力矩,研究以上参数与转子支承系统振动响应的关系。结果表明:间隙配合和较小的锁紧螺母拧紧力矩给转子系统带来较强的非线性性,转子支承处出现丰富的分数倍频成分;过盈配合时转子振动对内环锁紧螺母拧紧力矩改变不敏感;间隙配合时,较大的锁紧螺母拧紧力矩可以抑制转子支承处的分数倍频成分。     

基于单纯B样条的航空发动机机载稳态模型研究

为了减小航空发动机稳态建模的模型误差、降低复杂度及提升其实时性,提出了一种基于单纯B样条函数的航空发动机稳态模型建模方法。该函数是局部多项式基函数的线性组合,因此求解该函数为线性回归问题,通过运用广义最小二乘方法来求解B系数,从而提高计算效率和提高模型精度。最后建立了基于该算法的二维和四维涡扇发动机稳态模型,并分别与相同建模样本条件下的多输入多输出约简迭代最小二乘支持向量机稳态模型进行了比较,表明了单纯B样条建模方法不仅继承了B样条的算法复杂度低、存储数据量小和实时性好等优点,同时避免了最小二乘支持向量回归机不能拟合大样本数据的缺点,且拟合效果优于最小二乘支持向量机。     

镁粉对铝/冰燃料燃烧特性的影响

为改善铝/冰燃料的点火燃烧性能,通过添加不同比例的镁粉制备成铝/冰基燃料,研究其对铝/冰燃料燃烧特性的影响。实验通过接触法测得铝/冰基燃料燃烧温度并采用高速摄影系统观测其燃烧现象。研究结果表明,铝/冰燃料中添加镁粉后在100~200℃即出现较为明显的氧化放热反应,镁粉可以明显降低铝/冰基燃料的起始反应温度,加快反应速率。在稳定燃烧阶段,随着镁粉添加量的增加,铝/冰基燃料燃烧剧烈程度降低。通过对燃烧产物的分析发现,添加镁粉后的燃烧产物形貌与未添加镁粉的产物形貌存在明显差别,且未完全反应的铝粉含量较多,燃烧相对不充分。     

地外天体起飞过程真空羽流导流力热效应研究

为研究地外天体起飞真空羽流对探测器分离产生的力热扰动,使用计算流体力学-直接模拟蒙特卡洛(CFD-DSMC)耦合计算模型对锥面导流的真空羽流场进行了计算。采用组分输运模型计算三维连续流场,并获取当地的克努森数作为判断连续流和离散流的依据。使用基于分子动力学的直接模拟蒙特卡洛方法(DSMC)计算离散流场,采用可变软球(VSS)碰撞模型和Larsen and Borgnakke传能模型计算离散流分子间的能量传递,将计算结果与试验进行了对比,验证了计算方法的可靠性。研究结果表明,A器受到的侧向干扰力矩为62N·m,底部受到的最大压力为100Pa,最大热流密度为100k W/m2;B器受到的侧向干扰力矩为558 N·m,表面最大压力为8k Pa,最大热流密度为600k W/m2,喷口与导流装置顶面距离为400mm时,激波已移出喷管内部。     

AZ31B镁合金大应变循环变形行为研究

为了研究AZ31B镁合金在大应变幅条件下的变形机制,开展了该合金在7.嬲应变幅条件下的循环行为研究.结果表明:在拉伸阶段的最大应力值随着循环周次的增加而减小,而在压缩过程中的最大应力值随着循环周次的增加而增大,在整个循环过程中材料呈现循环应变硬化特性,拉应力是导致循环应变硬化的主要原因;随着循环周次增加,滞回曲线的不对称性基本不变.真应力-真应变滞回曲线在卸载和反向拉伸阶段出现3个拐点.在压缩过程中发生{10-12}孪生,反向拉伸过程发生去孪生行为,包申格效应对去孪生行为具有较大影响.研究表明:孪生-去孪生是大应变幅循环变形的主要变形机制;对拉伸、反向压缩过程的变形特征及机制的分析,可为低周疲劳行为的研究提供参考.     

基于经验模态分解的燃烧不稳定性分析

实验研究了在常温常压条件下贫燃预混旋流火焰的燃烧不稳定性,发生燃烧不稳定性时其压力脉动表现为非平稳信号.利用一种基于经验模态分解(EMD)的希尔伯特-黄变换(HHT)算法对在当量比分别为0.71和0.80工况下的压力脉动信号进行了时频分析.针对压力脉动信号进行经验模态分解,选取主要的固有模态函数(IMF),对IMF通过HHT变换得到瞬时频率并进行统计分析.结果表明:在当量比为0.71时,压力信号呈间歇式的脉动,其振型为拍振;在当量比为0.80时,脉动压力信号则呈现出极限环振型.在基于EMD的HHT变换中,IMF体现了燃烧不稳定性的固有模态且具有自适应性强的特点.      

考虑流固耦合作用的一维供应管路-喷嘴系统动力学特性

为了更加深入地研究供应管路-喷嘴系统的动态特性,在喷嘴动力学理论的基础上,建立了考虑供应管路流固耦合作用的传递矩阵组合计算模型。针对三种典型液体火箭发动机喷嘴与一维供应管路组成的系统,开展了两端固定边界的系统动力学特性数值模拟。结果表明:管路结构谐振与管内流体谐振所导致的喷嘴出口位置流体速度振荡量级相当,管路流固耦合作用对系统动态特性的影响不能忽略;管路结构谐振是造成其固定位置应力的频率响应幅值较高的主要因素;当流体与结构的谐振频率接近时,会产生一个大带宽、高幅值的应力耦合振荡区间,随着管壁厚度的增大,耦合振荡的带宽也随之增大;对于文中算例,流固耦合作用对流体谐振造成的系统振荡具有约5%的降频作用。