大数据技术在航空发动机研发领域的应用探索

针对航空发动机研发领域内不同专业之间数据彼此孤立,相同专业的数据名称、符号、量纲不统一,无法应用大数据技术进行深层次分析的问题,通过对发动机数据进行系统有效的管理,建立了航空发动机大数据平台方案,从而挖掘数据间隐藏的规律,解决发动机复杂问题。通过系统梳理全寿命周期内发动机不同阶段、不同专业数据的现状及管理的不足,开展了航空发动机大数据平台建立的需求分析,并利用工程经验开展了数据种类分析,首次定义了航空发动机元数据的概念及组成,创新性地提出了一种多维度、多专业数据关联的命名方法,为后续科研院所及发动机承制厂商建立航空发动机大数据平台提供了数据间关联的支撑,摸索出大数据技术应用的途径,从航空发动机设计的专业角度提出了大数据平台实施方向,具有较好的工程应用价值。     

1.5级大子午扩张涡轮非定常流动和传热特性分析

大子午扩张涡轮端壁二次流与热负荷之间的关系,对于端壁冷却非常重要。本文采用几何约化法,对某1.5级大子午扩张涡轮进行数值模拟,研究了大子午扩张涡轮上端壁非定常流动和传热特性。计算结果表明：大子午扩张涡轮上通道涡尺度较大且位置发生改变,沿径向向下移动约20%叶高;R1出口泄漏涡、通道涡和尾迹是造成S2流动和传热非定常性的主要因素;传热与二次流密切相关,对传热研究必须与流动相结合。研究结果将有助于提高对大子午扩张涡轮端壁非定常流动和传热特性的认识。     

角接触球轴承在高速大载荷工况下滑油中断耐受能力分析

通过研究角接触球轴承断油故障的故障复现现象,发现断油耐受能力不足的初期故障模式为滚动体与内圈之间发生三点接触。使用三点接触分析法对轴承断油耐受能力进行计算,结合相似轴承的计算分析,结果表明:垫片角越大,轴承抗断油能力越差,垫片角为25°的情况下轴承抗断油能力较差。通过断油后轴承的瞬态温度场分析,结合三点接触分析法,确定原设计状态的轴承断油耐受时间为25 s,不具备耐受断油30 s的能力。根据分析的结论,将该轴承的垫片角减小到19°,落实改进措施后的轴承通过了试验器验证和发动机试车验证。      

高背压进气道中内外流耦合作用的大涡模拟

采用大涡模拟研究了出口堵塞比为50.8%的轴对称进气道流动,重点考察了内外流耦合作用下流动的非定常特性。采用国家数值风洞（NNW）工程仿真软件进行数值模拟,得到的壁面平均压力、瞬时压力分布与试验数据符合良好。分析表明：为匹配出口背压,进气道在喉道区域形成激波串结构,使内流道流场分为上游超声速区、中部激波串区以及下游亚声速区;在激波串区,剧烈的逆压梯度产生了分离激波、激波串、分离区及分离剪切层等复杂结构;伴随着激波串运动和边界层大尺度分离,进气道壁面压力出现宽频脉动特征。脉动压力的时空分布表明：内流道脉动压力以扰动波的形式传播,为此建立的声反馈模型能较好地预测亚声速区的主导频率。相关性分析表明：激波串运动受上下游流动耦合作用,其中,频率为St=0.7的运动主要受上游流动影响,频率为St=0.9的运动主要受下游压力扰动波影响。     

推力矢量对飞机大迎角动态气动特性的影响

推力矢量是提高战斗机大迎角动态气动特性,提升其过失速机动能力和飞行品质的重要手段。新一代战斗机的高机动性要求也使气动和推力矢量的融合控制研究日益重要。针对中国空气动力研究与发展中心∅3.2 m开口低速风洞,研制了喷流模拟器和通气动态试验装置,建立了带推力矢量的大迎角动态试验技术。开展了不同减缩频率、不同落压比、不同喷管偏角时的大迎角俯仰振荡运动特性试验研究。结果表明：与无喷流试验相比,带喷流时模型的动态特性均随着落压比和喷管偏角的变化呈现规律性的变化;力和力矩系数形成的迟滞曲线面积随着落压比和偏角的增加而增加;减缩频率的变化对模型的动态特性影响小于无喷流时的影响。总的来说,推力矢量的影响未改变模型大迎角动态特性的基本规律,但是随着推力矢量角度和大小的变化,有规律地改变了模型动态气动力和力矩的变化幅度。     

缝式机匣处理及其轴向偏转角对跨声速轴流压气机稳定性的改善

以NASA Rotor 67为研究对象,采用非定常数值模拟方法,开展缝式机匣处理及其轴向偏转角对跨声速轴流压气机稳定性改善的研究,并且揭示缝轴向偏转角的变化对其扩稳能力和扩稳机理的影响。结果表明,不同轴向偏转角的缝均提高了压气机的稳定裕度,但是均降低了压气机的峰值效率。反叶片角向缝获得的稳定裕度改进量和峰值效率改进量分别约为24.22%和-1.19%。随着缝的轴向偏转角由负向正变化,缝的扩稳能力逐渐减弱,缝带来的峰值效率损失亦逐渐减少。流场分析表明,实壁机匣时,压气机的失速类型为叶顶堵塞形式的突尖型失速。通过感受叶片通道和叶顶吸/压力面的压差,反叶片角向缝对泄漏流进行抽吸和射流作用,一方面消除了泄漏流及其泄漏涡扩散带来的负面影响,另一方面激励了泄漏流,提高了泄漏流的速度,降低了泄漏流的总压损失,增强了叶片的做功能力。随着缝的轴向偏转角由负向正变化,由于缝能够利用的叶顶载荷从两个减成一个,缝的抽吸和射流作用均减弱,泄漏流的速度降低,泄漏流的总压损失提高,叶片的做功能力减弱,这就导致缝的扩稳能力减弱。     

一种高阶精度大涡模拟技术用于激波/火焰相互作用

基于Smagorinsky亚格子模型和增厚火焰技术,开发了一种高阶精度的反应流大涡模拟求解器,运用于数值研究边界层对激波与火焰相互作用的影响。该求解器的核心在于加入了基于超黏性的激波捕捉技术和时空三阶精度的两步Taylor-Galerkin紧致（TTGC）有限元格式,并通过对一维Shu-Osher问题和二维激波/气泡相互作用问题的计算,验证了求解器对激波、接触间断和湍流脉动等流动细节的捕捉精度,计算结果与实验数据吻合良好。通过对激波管内激波、火焰与边界层相互作用问题的数值模拟,发现由于激波与边界层的相互作用会产生不稳定的激波分叉现象,激波三分叉点传播速度的发展经历了水平匀速运动、小斜率线性增长和大斜率迅速增长3个阶段,由此揭示了激波分叉促进火焰加速的机理。当火焰面传入激波分叉区后,流场不均匀的回流区起到了稳定火焰的作用,一方面分叉结构内火焰面能够为激波的运动持续地供应热量,另一方面局部超声速区域为火焰的快速传播提供动力,使其能紧跟激波。通过对比相同条件下甲烷和乙烯燃烧的数值结果,发现两者爆震点触发的位置都出现在马赫杆后面,热量释放率的变化趋势也大致相同,但乙烯出现爆震的时间比甲烷早。     

燃气-液压混合驱动大惯量起竖系统内弹道建模与参数优化

针对传统起竖方式起竖缓慢、起竖动力源功率密度小等问题,基于燃气与液压混合驱动的起竖方案,设计了一种变截面的固体药柱。基于经典零维内弹道方程,考虑燃气气-粒两相流影响及点火药、固体装药两种燃气的共同作用,结合起竖机构的运动规律,以大惯量起竖装置为研究对象,建立了起竖系统的一体化动力学模型。参照目标起竖角度曲线,采用遗传算法对药柱结构参数进行匹配,并对燃气驱动方案进行优化,最终确定了前端直径0.1m,后端直径0.04m的变截面药柱及药柱燃烧1.5s,燃气驱动4.62s的起竖方案。正向内弹道计算结果表明,基于精细化模型的内弹道优化,可使系统在较短时间内(4.62s)以较小的过载(小于0.35g)起竖至目标角度(1.28rad)。     

新型低能耗飞机液压系统低温试验方案研究

由于机载液压系统产品在整个飞行包线内会经历低温环境的考验,为了充分验证飞机用液压系统产品在低温环境下性能的可靠性,本文针对液压系统开展低温试验的多种设计方案进行对比,并对其中的三种低温试验方案进行分析,明确各自适应的试验类型,最后通过对比各种方案的优缺点,提出了一种可以满足长时间、低功耗、大流量的液压系统低温试验的全新方案。该方案通过实测满足了试验要求,并达到了预期高效节能的效果。     

惯性信息辅助的大视角目标快速精确定位

目标定位技术广泛应用于航空领域的侦察机、无人机等各类侦察打击任务中,目标定位精度的高低及效率对作战效果具有重要影响。针对仿射尺度不变的特征变换(ASIFT)算法对远距离大视角目标定位精度较低、速度较慢的问题,提出了一种基于惯性信息辅助的大视角目标快速精确定位方法。该方法首先对目标实测序列图像构造尺度空间,结合FAST特征检测与FREAK特征描述的方式进行匹配,实现对待定位目标的快速提取;然后利用机载惯性信息求解目标实测图与参考图之间的透视变换矩阵,利用该矩阵对实测图进行变换以减小图像间视角差异,克服了ASIFT算法盲目匹配计算的弊端,并通过FAST特征检测与FREAK特征描述相结合的方式提升了大视角图像的匹配速度;最后通过单应性矩阵映射关系实现对目标的精确定位。实验结果表明,大视角目标快速精确定位方法匹配耗时比ASIFT算法的减小了1个数量级,定位精度比目标平均值定位算法精度提高了1个数量级,有效提高了图像匹配定位在航空领域的应用效率。