火箭发动机喷管辐射及壁温的计算研究

研究了火箭发动机复合喷管的耦合换热及瞬态壁温的计算方法,考虑了扩散控制的C/C喉衬的稳态烧蚀,建立了封闭腔-净辐射模型计算喷管内的辐射换热,改进了喷管辐射换热的计算方法.计算了两种复合喷管的壁温随时间的变化,并与有关文献的结果进行对比.研究表明:在火箭发动机喷管的入口段,高温燃气对壁面的辐射换热热流比对流换热热流强;采用封闭腔-净辐射法计算火箭发动机喷管的辐射精度较高.      

CE/SE法模拟爆震波点火及传播过程

运用时空守恒元和解元(CE/SE)法模拟一维爆震波的形成及传播过程,分析产生爆震波的不同机理和DDT(爆燃-爆震转捩)过程的影响因素.采取激波点火和热点点火两种点火方式,分别对应SDT(激波-爆震转捩)和DDT过程,热点点火初始场采用线性温度分布和阶梯性温度分布,整个管道均为常压.用隐式梯形方法实现刚性源项积分.结果表明,SDT和DDT对应于不同的爆震波机理,并且DDT受点火区不同参数的影响,为研究爆震波点火和DDT过程提供了理论依据.     

高焓激波风洞喷管流场非平衡特性研究

高焓激波风洞是开展高超声速流动研究的重要地面模拟设备,但其产生的高焓气流在喷管中的膨胀过程是一种典型的热化学非平衡流动,试验段特征参数通过直接实验测量难以完全确定。本文通过求解耦合双温度模型的轴对称Navier-Stokes方程,研究了高焓激波风洞中典型状态下气流的热化学非平衡流动特性,分析了焓值对非平衡特性的影响规律。结果表明,喷管出口自由流均匀区域达到出口截面直径的75%以上,能够为实验提供足够的空间;喷管出口自由流处于热化学非平衡状态,在喷管喉道后约1/5喷管长度处气流即已处于冻结流状态,组分浓度和振动温度随气流流动基本不变;焓值在8.4MJ/kg~19.5MJ/kg之间变化时,非平衡程度随着焓值的增加而增强,但是低焓值时非平衡程度的增强更加剧烈。     

高温磁悬浮轴承用位移传感器的研究

针对差动变压器式位移传感器的性能及其在高温磁悬浮轴承中的应用,对环境温度升高影响差动变压器式位移传感器（DTDS）性能的机理和特征以及所采用的温度补偿技术进行了研究。采用比值方式的处理电路以及加入补偿电阻的方法改善了温度升高所带来位移传感器灵敏度升高、温度漂移和时间漂移的问题。对不同温度下的差动变压器式位移传感器进行标定得到了位移传感器的动静态性能,并将其应用到单自由度高温磁悬浮轴承（HTAMB）试验台上进行静态和模拟动态悬浮。研究结果表明,环境温度为550 ℃,被测物体移动范围在-0.35~+0.35 mm时,位移传感器的灵敏度在19.62 mV/μm,线性度为±0.74%,迟滞性为±0.40%,重复性为±0.97%,传感器截止频率在800 Hz左右;在单自由度高温磁悬浮轴承试验台上使用所研制的高温位移传感器,能实现被悬浮物体的稳定悬浮。     

整体叶盘叶型电解加工流场设计及实验

电解加工（ECM）是航空发动机整体叶盘制造的主要技术之一,其电解液流场稳定性是影响电解加工精度和表面质量的核心因素。本文在分析原有的二维流场基础上,针对流体在不同流道截面下的流场状态,提出了一种三维复合电解液流场模式,即三股电解液分别从毛坯进气边、叶盆叶根、叶背叶根流入,由排气边交汇流出。采用有限元法对三维复合流场及两类二维流场开展仿真分析,分析结果表明三维复合流场改善了流道突变区域流场状态,有效抑制了二维流场的流场缺陷,有助于提高流场稳定性。对加工区液体流态进行了判断,其结果显示三维复合流场可以满足电解加工要求。开展了3种流场模式的加工速度比较实验,三维复合流场达到的进给速度最高,较二维流场可显著提升加工效率。采用三维复合流场开展了多叶片扇段加工,获得了较好的重复精度与表面质量。     

航空发动机盘件径轴向裂纹底波监控超声检测方法研究

针对某航空发动机盘件中的径轴向裂纹,采用不同焦距的5MHz、10MHz聚焦探头和平探头,分别在0°,1°,2°,3°的声束入射角度下进行检测试验,通过对入射角度以及探头类型、频率、焦距等参数的优化,建立了径轴向裂纹的底波监控超声检测方法。研究发现:与垂直入射相比,小角度纵波斜入射底波监控超声检测方法可提高超声波对裂纹的敏感程度;使用焦距为89mm的10MHz聚焦探头,并使声束以2°入射角斜入射可得到最佳检测效果,试验结果与数值模拟具有良好的一致性。     

喷嘴位置对脉冲爆轰发动机性能影响的试验研究

为了研究喷嘴位置对脉冲爆轰发动机性能的影响,设计加工了直径为80mm的汽油/空气两相脉冲爆轰发动机（PDE）,在PDE文氏管内不同位置安装喷嘴,进行了冷态雾化和热态燃烧转爆轰试验,分析了马尔文激光粒度仪测得的液滴尺寸分布和动态压力传感器测得的信号。试验结果表明：喷嘴的安装位置对脉冲爆轰发动机的性能具有显著影响;喷嘴安装在文氏管喉部时爆轰管内雾化混合效果最好,爆轰波峰值压力最大为3．5 MPa,工作频率最高为30Hz;喷嘴安装在文氏管入口时爆轰管内雾化混合效果最差,爆轰波峰值压力最小为0．9MPa,工作频率最低为15 Hz;在试验范围内,改善雾化混合效果有利于提高脉冲爆轰发动机的工作频率。研究结果对脉冲爆轰发动机的设计具有参考价值。     

脉冲爆震发动机爆震管壁换热及冷却的实验

利用Pt100热电阻对脉冲爆震发动机(PDE)在有、无水冷状态下爆震管壁沿轴向的温度分布进行了实验研究.实验结果发现爆震管同一轴向位置处,爆震外管壁温度随爆震频率的增加而增加.同一爆震频率时,距推力壁位置越远,爆震外管壁温度相对越高.向爆震管换热系统中通入冷却水之后,爆震外管壁温度有明显的降低,并且爆震外管壁温度梯度也有一定的下降,20Hz时加水冷之后,PDE工作16s时,爆震外管壁温度最高可降低106.5℃.      

壁面抽吸条件下的爆震波传播特性

为研究静止气中壁面抽吸对爆震波传播特性的影响,采用数值模拟方法研究了多孔抽吸壁面条件下爆震波的流场结构、传播速度等特性的变化规律。结果表明多孔抽吸壁面对爆震波传播特性有两方面的影响。首先,流场与多孔壁面发生碰撞产生弧形激波,弧形激波对爆震波的横波结构造成直接破坏,导致靠近多孔壁面区域的爆震波产生明显的速度亏损,爆震波强度削弱甚至熄爆;其次,多孔壁面作用导致了流场不稳定性增强,流场与孔板碰撞产生高温高压点,对爆震波的传播有促进作用,尤其在临界条件下,可能导致爆震波熄爆后重新起爆。在保持抽吸压力和边界条件不变情况下,对不同活性及不同抽吸距离时的爆震波传播特性进行研究,发现预混气活性降低、抽吸距离增长时,爆震波结构和传播速度受壁面抽吸影响增强。在加长抽吸距离条件下,随着预混气活性的降低,存在3种爆震波传播现象,即自持传播、熄爆后重新起爆以及完全熄爆。将相应工况下的实验研究与数值模拟结果进行对比,验证了数值模拟结果的正确性。     

变循环发动机过渡态性能直接模拟方法

为了实现多变量可调的变循环发动机（VCE）过渡态性能模拟和控制规律设计,在稳态逆算法和过渡态性能隐式格式计算方法的基础上开发了变循环发动机过渡态直接模拟方法。在稳态逆算法模型中加入容积效应和转子动力学方程,实现了同时给定加速率、涡轮前温度和压缩部件工作点的条件下直接模拟计算过渡态过程中变几何参数和燃油流量的调节规律,验证了方法的精度和可行性,并将该方法用于变循环发动机转模态性能模拟和控制规律设计。计算结果表明,过渡态直接模拟方法的误差在0.58%以内,超声速巡航状态下由单外涵模态转换到双外涵模态的时间约为1 s,海平面静止状态下双外涵转单外涵的时间约为3 s,且推力、转速、涡轮前温度、喘振裕度等参数过渡平稳。该方法可简化转模态控制规律设计流程,并提高设计精度。