环形水射流流场的实验研究与统计分析

在11、12和15MPa射流压力下对环形自由水射流流场进行实验研究,以获得该射流场的能量特征与液滴尺寸分布规律。运用相位多普勒粒子测速（PDPA）技术对射流流场中的速度分布和液滴粒径分布进行测量,并对通过不同位置控制体的单个液滴行为进行了统计分析。研究表明：环形射流流束中心存在着较宽的高速区域,且射流能量沿着射流方向衰减缓慢;距离喷嘴的轴向距离越大,射流横断面上的速度与液滴粒径分布越平坦;射流压力对流束中心的轴向速度变化影响较大,对液滴粒径分布的影响不明显;射流流束中心区的湍流脉动较弱,但通过位于射流中心位置的控制体的液滴粒径谱较宽。     

复合材料界面模态混合度研究

综述了消除复合材料界面裂纹应力奇异性及求解界面模态混合度的主要方法,分析讨论了各个方法的优缺点.通过分析讨论发现:模态混合度表征界面力学性能可以准确地描述界面裂纹尖端处各应变能释放率分量的振荡特性;求解与裂纹扩展长度无关的各应变能释放率分量及模态混合度是研究复合材料界面裂纹问题的难点;采用混合模态界面力学性能试验方法验证基于正则化长度等求解模态混合度方法的有效性,进而准确预测复合材料分层的发生及扩展是今后研究复合材料界面力学问题的发展方向.     

基于热力学的涡扇发动机神经网络建模方法

由于无法掌握不同发动机的真实部件特性,传统热力学模型对在翼涡扇发动机的建模存在较大的建模误差;同时,热力学模型在特性图边界线附近迭代时,容易迭代到特性图之外,造成迭代过程的不收敛。针对上述问题,本论文提出基于热力学过程的涡扇发动机神经网络建模方法,在神经网络模型的训练过程中充分考虑对部件共同工作热力学约束的优化,提高发动机建模的准确性。通过构建部件级网络结构、部件共同工作损失函数及融合训练过程,将基于部件特性图的传统热力学模型迭代过程转化为部件级神经网络的多目标优化与训练过程,提高了模型的收敛性及建模准确性。模型在26970条发动机实际飞行数据上进行了训练及测试,结果表明,在相当宽松的准稳态数据下,论文提出的建模方法最大误差可以达到7%左右,比基于部件特性图的热力学模型低5%左右。      

基于高效特征值分析方法的旋转失速先兆预测

旋转失速限制了压气机稳定工作的范围,对其进行深入理解并实现准确预测是控制失速、提高裕度的关键。现有模型大多基于一定程度的几何和流动简化,不考虑三维效应及流动复杂性,直接应用于三维压气机失速预测时仍面临巨大挑战。同时,尽管试验测量和模拟仿真水平不断提高,试验和数值模拟多为唯象研究,缺乏对压气机流动失稳根本原因的揭示。此外,由于三维复杂流动精细化测量和高保真模拟的复杂性,大多数失速研究针对某一压气机若干孤立工况开展,缺乏系统的参数化研究,难以提炼出旋转失速关键影响因素。为弥补试验测试空间分辨率低和非定常流动模拟成本高的缺陷,提出了一种基于三维流动方程高效特征值求解的全局稳定性分析方法。一方面可以获得试验测量难以达到的空间分辨率,另一方面能够以比非定常模拟小2～3个量级的成本获得丰富的三维流场小扰动发展过程。针对某典型跨声速压气机环形叶栅,所发展的分析方法计算成本仅为定常特性线计算的28%,相比于非定常计算实现了约155倍的加速,为压气机旋转失速准确快速预测和机理研究提供了重要的研究工具。     

飞机油箱中燃油温度变化数值仿真

在考虑飞行中外界空气对蒙皮气动加热的情况下,对飞机油箱内部燃油和气体的传热过程进行了三维仿真,得到了油箱中温度场和速度场的分布,采用集总参数法建立了飞机油箱一维热模型,通过Modelica语言编程对其进行了求解。将三维模型和一维模型计算得到的燃油、气相空间及壁面温度与飞行实验数据进行了对比,结果显示两种模型气相和燃油平均温度均与布置在油箱中部的传感器测量结果吻合较好,但是三维仿真结果表明油箱各处温度差异很大,燃油各点温差最大可达17 K,气相空间各点温差最大可达30 K。因此实验中传感器位置需要重点关注。此外,三维仿真模型还可为一维模型中相关换热参数选择提供依据。      

多芯片组件（MCM）用金锡焊带材料电阻率及热导率温度特性研究

对牌号为Au₈₀Sn₂₀的金锡焊带材料在208~423 K的电阻率及热导率与温度的函数关系进行了研究,并对其在多芯片组件（MCM）中的传热效果进行了评估。分别对材料在208~423 K中5个温度点的电阻率及4个温度点的热导率进行了测试,基于理论模型建立电阻率/热导率随温度变化的函数关系,最终采用模拟热扩散数值方法评估材料在高温下的传热能力。结果表明,采用修正函数模型后,金锡焊带材料在208~423 K下热导率与电阻率的关系符合测试结果,随芯片表面温度的边界条件从208 K升高至423 K,采用变温热导率模型得到的热流密度模拟计算结果相比理想化恒定热导率模型的差异性逐渐升高至5.5%。综上,金锡焊带材料热导率与电阻率的关系符合Wiedemann-Franz法则修正后的Smith-Palmer方程,在该材料传热设计时应考虑其热导率温度效应。     

考虑气动-结构的高空螺旋桨多学科优化方法

为实现高空螺旋桨高效率和轻质量之间的权衡设计,提出一种考虑螺旋桨气动-结构性能的多学科多目标优化设计方法,理论上可得到约束条件下推力最大和质量最小的Pareto解集。但工程应用中,变量太多,可接受时间内仅能获得Pareto解集拟合趋势。为避免优化周期太长,提出以下阶段性优化方法。阶段1:根据上述Pareto解集拟合趋势和平台约束,确定最优桨径;阶段2:进行基于最优桨径的气动优化获得气动外形,结构优化获得结构方案。使用该方法对高空太阳能无人机螺旋桨优化,两个阶段耗时分别为96 h和4 h。对获得螺旋桨制造,仿真和试验,对比结果表明:推力最大误差为10.9%,质量误差为6.9%,刚度误差为15.2%,固有频率误差为15.4%,试验结果也表明该方法的合理有效性。      

双组元离心喷嘴液膜吸合特性数值模拟

为研究双组元离心喷嘴液膜的吸合特性,采用流体体积法（VOF）耦合Level Set方法对不同工况下双组元离心喷嘴进行数值计算,分析了喷嘴的流动特性,揭示了内外喷嘴锥形液膜之间的相互影响规律。研究结果表明:当外喷嘴的进出口压差大于1.6 MPa时出现吸合现象,过程表现为内外液膜逐渐重叠、相互吸合;吸合后喷嘴出口下游液雾速度相对减小;推力室室压的增加导致吸合时机缩短,而压差对吸合时机的影响相对较小,随着压差的增加其规律表现为先减小后增加。      

基于三维体积力模型的离心压气机喘振预测方法

为了实现对喘振流动现象的准确、快速预测,提出了一种基于三维体积力模型的离心压气机喘振预测方法,并在一款跨声速离心压气机上进行了应用,对以叶轮进口叶尖“回流泡”、喘振中的旋转失速,以及蜗壳诱发的非对称流动为代表的典型喘振流场结构进行了捕捉。通过与经试验校核的全三维非定常雷诺平均Navier-Stokes（URANS）方法进行对比表明:本文提出的离心压气机喘振预测方法,针对主要喘振流动特征的预测具备与全三维URANS方法相当的能力,同时计算时间约为全三维URANS方法的1/20。      

轴向间距对单级风扇纯音噪声的影响

针对单级风扇纯音噪声的远场声辐射预测,介绍了一种混合计算方法。其中,非线性谐波（NLH）方法用于转静干涉载荷声源的计算,声类比方法用以获得自由场的辐射声场,机匣的散射作用通过边界积分方法（BIEM）加以考虑。该混合方法可以同时预测管道内的声传播和管道外的声辐射。采用NASA的Advanced Noise Control Fan（ANCF）项目中的单级风扇作为研究对象,研究了实验间距下转静交界面位置的影响,确定交界面位置取在转静间距0.5倍,此时和远场声辐射实验结果最为接近。随后研究转静轴向间距对纯音噪声的影响,随着间距的减小,静子表面非定常载荷幅值、远场噪声指向性声压级相应增加。在低频下噪声指向性形状保持一致,高频噪声的指向性形状和声压级变化明显。