基于CFD/CSD耦合的高速射弹尾拍载荷特性研究

为提高射弹尾拍载荷的预测精度，建立了一套基于计算流体动力学（CFD）/计算结构动力学（CSD）双向耦合分析的计算方法和程序。射弹流体计算主控方程采用耦合SSTk-ω湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型的Navier-Stokes方程，射弹结构计算采用基于模态叠加法简化的结构动力学方程，流固耦合界面插值采用径向基函数法，网格变形采用弹簧网格法。分别对泡型计算方法和流固耦合方法进行验证，在此基础上，计算对比1 000 m/s速度下射弹刚体和弹性体的尾拍泡型、结构变形和尾拍流体载荷特性差异。计算表明：弹性体尾拍过程，射弹泡型会产生弹身“二次拍击”、“局部沾湿”和沾湿面积增大等特殊现象，结构变形由弹性一弯模态主导，较大的变形引起流体载荷增大27%～105%，尾拍姿态角增大13%，尾拍频率增加20%，流固耦合效应对尾拍泡型、尾拍载荷和尾拍弹道均产生了较强的影响。     

基于变权重-正态云模型的飞机轮胎滑水风险

针对飞机轮胎滑水行为的随机性和模糊性特征，提出基于正态云模型的滑水安全评价分析方法。引入变权理论动态调整权值，采用惩罚性变权函数降低常权权值对评价结果的主观影响。构建飞机轮胎滑水流固耦合仿真分析模型，选取飞机轮载、滑行速度、积水厚度、道面摩擦系数及刻槽深度作为风险影响因素，基于单因素云模型数字特征及变权向量求解综合隶属度，建立多元决策下的飞机滑水风险等级及划分标准。以某山区多雨机场轮胎滑水事件为实例进行验证，结果表明：以传统临界滑水速度指标进行条件判定仅得出允许起降的一般结论；对比常权和变权评价结果，工况1安全系数由1.09提高至1.17，工况2由2.09提高至2.94，可定量描述道面起降环境差异，滑水风险仍在可接受范围内，变权评价结果偏于保守；工况3安全系数由3.13提高至3.74，滑水风险上升至Ⅳ级，即使道面积水厚度符合上限要求，轮胎滑水发生几率仍有可能显著提高，与实际风险情况基本一致，对道面运行安全分级管理具备参照性。     

叶片反扭对跨声速大涵道比风扇性能的影响

使用基于流固耦合算法的叶片反扭程序,考虑了非定常气动力对叶片变形的非线性作用,研究了叶片反扭对跨声速大涵道比风扇性能的影响.以冷态叶型为起点,先计算离心力作用下的叶片变形,在此基础上使用流固耦合程序获得非定常气动力作用下的变形.考察了3个转速下叶片的动态变形对大涵道比风扇气动性能的影响.结果表明:在跨声速工况下,叶片表面激波位置的变化对叶片反扭角有很大作用,在考察的转速范围内,堵塞点使用设计叶型计算的流量大于动态叶型下的流量,数值达7%,将导致发动机起飞推力小于预测值.结果表明在大涵道比风扇设计阶段,预测气动性能使用准确叶型的重要性.      

柴油发动机热管理系统的高度特性

基于空中和高原环境的特点,研究了柴油发动机散热器传热性能的高度特性;进一步建立了发动机热管理系统的流动和传热模型,研究了热管理系统的高度特性;给出了基于最小功耗原则的热管理系统运行参数匹配方法.在固定系统热负荷条件下的计算结果表明:随着海拔高度的增加,在空中环境下,散热器的散热性能先上升后下降,热管理系统中冷却液和润滑油温度先下降后上升,热管理系统所需的最小功耗先减小后增加;在高原环境下,散热器的散热性能随高度增加大幅下降,热管理系统中冷却液和润滑油温度大幅上升,发动机出现过热问题,为了给发动机提供足够的散热能力,热管理系统所需要的最小功耗随着海拔高度的增加而大幅增加.      

细观周期性结构复合材料热固耦合双尺度渐进均匀化分析方法及有限单元法实现

针对周期性结构复合材料,根据稳态热固耦合平衡方程,将弹性矩阵和导热系数矩阵进行合并,将位移和温度作为空间场量同时进行小参数渐进展开,利用摄动理论和均匀化理论,推导并建立了周期性结构复合材料稳态热固耦合双尺度渐进均匀化分析方法。将复合材料力学分析从单一物理场推广到热固耦合场,为实现复合材料构件的热固耦合多尺度力学分析建立了基础。根据建立的偏微分方程式,利用变分原理推导得到其有限单元形式,用VC++6.0开发了热固耦合双尺度渐进均匀化分析程序。为验证该方法预测复合材料宏观等效性能的准确性,对纤维体积含量从20%到80%的单向纤维增强复合材料宏观等效参数进行了计算。当纤维体积含量低于65%时,得到的计算值与实验值吻合良好。更加真实地还原复合材料细观结构模型,计算精度将进一步提高。     

气相化学反应与声学振荡的耦合机理数值研究

通过数值仿真方法针对液体火箭发动机内的气相化学动力学与振荡声场的热声耦合机理进行了研究。采用任意拉格朗日算法解耦流动与化学源项间的刚性。采用的多步总包反应机理考虑了底层的准稳态组分脉动。通过入口流量边界的流量脉动向燃烧室中引入纵向声波,并建立了冷流声学相似场模型以分析热声耦合效应的强度。研究发现:在线性小振幅声场中,气相化学动力学控制的释热系统与声学振荡无明显耦合激励;在非线性有限幅值声场中,燃烧室压力与释热波动出现“突跃”并表现为陡峭前沿波,气相化学动力学控制的释热系统与声学振荡发生耦合激励,反应流较其冷流声学相似场的压力振荡振幅增强约300%。最后分析了耦合激励发生的可能原因,提出了气相化学动力学体系的“释热分岔”假说。     

润滑系统管路流动与换热耦合计算研究

为研究沿程管路换热与滑油流动之间的耦合问题,通过分析主要元件的流动和换热特性,引入元件换热的能量方程,结合管路流动的连续性方程和动量方程,建立了润滑系统管路热流耦合计算模型。针对一段发动机供油管路,利用MATLAB/Simulink建模仿真工具包,建立其热流耦合网络计算模型,获得滑油流量、温度以及管壁温度等参数,采用商业软件Flowmaster对其进行验证。模型计算结果与Flowmaster计算结果非常接近,滑油流量和温度的最大误差均不超过3%,管道壁温的计算误差不超过2.4%,说明建立的热流耦合计算模型具有良好的仿真精度,适用于考虑沿程管路换热的发动机润滑系统计算分析。     

基于OpenFOAM的真实流体模型库及均相求解器开发

为了正确认识高压环境下的流体非理想性特征,及其对于低温射流喷雾过程的影响作用,将多种不同真实流体模型写入到开源CFD程序OpenFOAM仿真平台中,编译形成具有广泛通用性的真实流体热物理模型库;并将高压下真实流体特征的影响引入到压力修正算法中;开发出适用于描述超临界环境下低温流体流动过程的均相求解器。对高压下流体热物理性质的非理想性,以及超临界环境下的低温液氮射流喷注过程进行研究。结果表明:高压下的真实流体效应主要体现在低温区域,本文所建立的模型库可以在任意热力学状态范围内正确预测流体热物性;基于此模型库所开发的均相求解器可正确预测超临界环境下低温射流的详细流动特征和结构,而理想气体模型则会大幅低估射流核心区密度分布,中心线上误差高达68.9%;综合考虑计算精度和效率,PR EoS及相关模型更适合于这类超临界流动问题的求解;低温射流跨临界喷注中局部区域所发生的虚假沸腾现象会导致射流温升速率降低、体积膨胀速率加快;射流核心区压缩因子明显1,在数值仿真时必须考虑高压环境下的真实流体效应。     

壁面催化效应对高超声速气动热影响研究

高超声速飞行器壁面催化效应会导致激波层中原子在壁面处复合释热,加剧周围气动热环境。针对高超声速流动壁面催化特性,选择不同飞行马赫数及高度条件,采用完全催化和非催化两种条件对球锥模型壁面热流率进行数值模拟计算,研究壁面催化效应对气动热的影响规律。结果表明,固定飞行高度时,壁面催化效应对气动热的影响随马赫数增加而加强,Ma=25条件下驻点处完全催化与非催化热流比值高达1.92;固定飞行马赫数时,在50km高空以上壁面催化效应对气动热的影响随高度增加而减弱;壁面催化效应不仅会影响壁面附近的流场特性及组分分布状态,而且对整个激波层都有一定的影响作用。