温度场对航空发动机转子超转破裂的影响

CCAR33.27超转适航要求,分析和试验确定的超转转速,必须基于温度和温度梯度的最不利组合。因此,研究温度和温度梯度对超转破裂的影响有非常重要的意义。以某型航空发动机低压6级涡轮转子为例,采用极限应变方法开展了转子部件的超转破裂分析,对比了常温和高温（红线转速对应的温度分布）下转子关键轮盘应变分布趋势和应变增长规律、预测的超转破裂的起始位置和破裂转速等轮盘超转特性;针对超转破裂分析,提出了在高温条件下,经过常温超转破裂试验验证的方法应用的有效性条件。低压涡轮转子的分析结果也显示,红线转速对应的温度状态下,轮盘超转破裂转速比常温下显著降低,而高温下材料屈服强度的大幅降低则是破裂转速下降的主要原因。     

基于成分的燃烧室出口燃气温度计算方法

针对燃烧室不同温度下燃气组成的不同,提出建立不同燃气模型以推算燃气温度的两种计算方法。基于物质守恒、化学平衡和能量守恒原理建立温度计算方程,根据能量守恒方程的不同表达形式给出平均比定压热容法和焓值法,同时给出两种求解非线性方程组的数学解法:三变量迭代法和牛顿法,并采用VB(Visual Basic)编制燃气分析测试程序实现温度算法。列举计算实例比较两种算法的区别,结果显示:随着油气比的增加,两种计算方法得到的燃气温度相差越大,考虑热离解的高温算法结果更小,原因在于燃气中离解组分的摩尔分数随着温度升高而增加,燃烧实际放热量减小,导致燃气温度减小,所以当燃气温度较高时建议采用高温算法更符合实际燃烧情况。      

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CH自由基发光的旋流火焰放热率时空特性研究

对不同工况下CH4/air旋流火焰的放热率在时间上的热声振荡现象和空间的三维形态转变两方面进行了研究。在燃烧形态转变方面,由于旋流火焰的复杂流场分布特性,采用基于化学自发光的三维计算层析技术(3D-CTC),测量了雷诺数从5 000到20 000的三个工况下旋流燃烧的CH*发光三维火焰结构。以此表征放热率的三维分布,实现对旋流火焰放热空间形态的测量。该诊断方法通过对旋流火焰发光在8个视角下的二维成像,结合层析重建算法得到其三维CH*分布信息。为验证重建保真度,将重建后结果二维可视化与高速摄影下的二维时均结果进行对比,结果表明重建误差在5%以内。研究中,分析了不同雷诺数下放热率的空间变化规律,结果显示所有实验工况下放热率的垂直于喷嘴方向的变化程度比沿喷嘴轴向的要剧烈;而随着雷诺数增加,最大的放热区表现出了明显的向后推进趋势。在旋流燃烧的热声振荡方面,利用CH*的二维高速摄影,对旋流燃烧的放热率不稳定性进行研究,发现放热率的振荡频率随着雷诺数的增大逐渐增加。      

镍基合金薄板不同温度下的弹道冲击行为

为研究航空发动机机匣在高温下的包容性能力,通过实验和数值模拟研究25℃和600℃下GH4169合金薄板受球型子弹冲击后的变形行为。弹道冲击实验通过轻气炮实施,子弹以不同初始速率冲击靶板。分析温度和冲击速率对靶板的变形、临界击穿速率、破坏变形模式以及能量吸收的影响。结果表明:高温下靶板的变形更大,靶板被击穿所吸收的能量更小,临界击穿速率更小;高温下靶板被穿透后由弯曲作用引起的花瓣状变形更明显。数值模拟研究通过有限元软件LS-DYNA实施,数值模拟中选用Johnson-Cook本构模型。采用高温分离式霍普金森压杆(SHPB)实验技术对GH4169高温合金进行测试,获得了材料在高温高应变率下的力学特性并拟合了Johnson-Cook本构模型参数。数值模拟研究的结果和实验结果进行了对比,显示了良好的一致性。     

切削过程有限元仿真研究进展

得益于高性能计算机和软件技术的发展,数值仿真为深入理解切削过程、研究刀具磨损、提高加工表面质量等提供了强大的技术支持。总结了现有几种本构模型的特点,对构建切削仿真有限元模型中的几个关键问题进行了分析和总结,综述了有限元仿真技术在金属切削过程中切屑形成研究、切削温度和切削力、刀具磨损、刀具优化和残余应力预测以及加工表面显微组织演变模拟等方面的研究成果。最后,系统地分析了切削过程有限元仿真研究中存在的问题,探讨了该研究领域未来的发展趋势和需要进一步探索的热点问题。     

电容式微机械陀螺温度特性研究及温度补偿

电容式MEMS角速率传感器零位的全温稳定性是其实用化的最重要的技术指标之一。分析了陀螺工作原理,从传感器敏感表头的空气阻尼、谐振频率等方面分析了机械结构的温度特性,得出了在全温区内驱动力与传感器零位输出的相关性。根据对陀螺表头和接口电路的温度特性分析,设计了恒定跨导高线性度的运算放大器,实现了全温低相位偏移、低幅值偏移的接口ASIC,并在高压N阱COMS工艺下流片。通过驱动力信号对零位进行温度补偿,包含了机械结构刚度和空气热阻尼等因素的影响,理论上比单独的谐振频率补偿更准确,而且驱动力信号可直接由接口电路给出,避免复杂的采样。在-40℃60℃的温度范围内进行零位温度循环测试,驱动力幅值对零位输出进行三阶拟合补偿,补偿后全温零位温度漂移小于26.7(°)/h(1σ)。     

预混气爆轰马赫反射实验研究

为研究斜爆轰马赫反射的实验现象以及不稳定性对马赫反射的影响,在矩形爆轰管道中,对3种预混气的马赫反射现象进行了实验研究,取得烟膜记录。烟膜结果显示,三波点高度在楔角附近与无反应三激波理论类似,随后逐渐偏向反应三激波理论,三波点实际高度由反应实际放热量决定,三种气体偏转始末距离与结束偏转距离之比平均值分别为0.42,0.49,0.31,与三者活化能大小关系相符合。胞格结构随初始压力增大而渐趋规律,胞格尺寸也逐渐减小,由CJ区域到过驱区域胞格结构存在明显的转变。横波是影响斜爆轰稳定的重要因素,压力增大可抑制分子的无规则运动,使横波出现的位置更加集中,胞格更为规律。预混气爆轰不稳定度大的气体横波出现的时空位置更不易确定,胞格结构更不规律,胞格尺寸较小。     

示温漆图像等温线提取算法

分析示温漆（TIP）图像特征,根据等温线附近产生局部梯度极值的特点,实验对比了4种边缘提取算法效果。根据实验结果,选用Canny算子提取等温线。提出在边缘提取前进行K means聚类处理,并对K means聚类算法和Canny算子进行了改进。提出了两种K means初始聚类中心的选择方法,更适于示温漆图像的分割。改进了Canny算子的内核,提升了等温线的质量。结果表明:该算法能够快速提取清晰、连续的等温线,效果良好,满足工程应用要求,已用于示温漆自动判读软件开发。      

新概念机翼尾流特性实验

大型飞机常采用开启襟翼以增大机翼升力系数,实现较大迎角的起飞和降落,而机翼在大迎角状态下,翼尖会产生能量集中且自由消散时间长的飞机尾涡,严重影响后续起降飞机的安全。基于Rayleigh-Ludwieg不稳定性,提出一种新概念飞机襟翼布局,通过水槽实验发现:新概念布局的襟翼对翼尖涡的消散具有明显的促进作用,不同参数组合下襟翼涡对翼尖涡的运动特性和能量变化的影响均有不同。实验结果也为飞机尾流控制的研究提供了参考,在满足飞行力学设计的基础上,合理运用增升装置构建四涡系统可以有效促进飞机尾流的消散,提高机场飞机起降效率。