基于多场耦合的飞行器热环境数值分析方法研究

新一代高超声速飞行器的发展给防热设计问题带来严峻挑战。根据飞行器热环境多场耦合特性,提出了一种基于多场耦合的热环境数值分析策略,并在此基础上发展了基于Navier-Stokes方程的流场CFD分析程序,通过有效的界面数据传递算法,实现了与结构有限元热分析软件的耦合,形成了基于流场与结构耦合传热的飞行器热环境多场耦合数值分析方法。以典型圆管前缘为计算模型进行了程序验证,并对稳态和非稳态飞行环境下的流场与结构耦合传热特征和规律进行了数值分析研究。结果分析表明,该方法能够有效地刻画流场与结构之间的耦合传热特征和规律,预测和分析飞行器热环境的空间和时间分布特性,从而可为防热设计的选材和优化提供可靠的参考依据和分析手段。     

U型节流槽等压差活门内流场特性

以某U型节流槽等压差活门为研究对象,开展了内流场性能数值模拟研究.基于三维建模造型技术对所设计的压差活门进行初步建模,然后采用周期性网格网格单元划分等压差活门的结构化网格;进而通过CFD数值模拟进行了内流场仿真分析,并对不同出口节流开度的等压 差活门模型进行了对比研究.内流场状态表明:U型节流槽等压差活门不同流量以及不同出口节流开度下在节流口处由于面积突变,压力梯度变化较大,等压差活门的压降主要集中在此处,且均存在一定范围低速团与二次旋涡流等.仿真结果预测的外特性性能表明:等压差活门的压差在不同流量工况下和相同流量的不同出口节流开度下,压差维持在0.9MPa左右,符合设计要求.且不同出口节流开度下压差变化趋势相似,出口节流开度越大,压差越大,小流量下相应更快.      

蓄热式太阳能热光伏-热推进双模系统换热特性数值模拟研究

本文通过三维数值模拟研究蓄热式太阳能热光伏-热推进双模系统的蓄/释热特性和推进性能。在蓄热式太阳能热推进系统工程模型的基础上,通过射线光学的光路分析验证了聚光器设计的合理性,并获得吸热腔壁面能量分布情况,进一步研究了相变蓄热过程的影响因素。基于场协同原理对热光伏再生冷却结构进行了优化设计,使热光伏具有较好的散热特性,提高发电功率;通过整机流动换热仿真,分析了工质流体在推进器内部的换热情况,计算结果表明,蓄热式热推进器具有达到734s比冲和0.9N推力的推进性能,以及能够满足日蚀区微小卫星的供电和推力需求。     

隔舱式双脉冲发动机第Ⅱ脉冲点火过程数值仿真

基于计算流体力学和相关点火理论,对双脉冲发动机第Ⅱ脉冲点火瞬态过程的流场进行了数值分析,并进行了发动机第Ⅱ脉冲点火试车试验。结果表明：在隔板打开前,第Ⅱ脉冲燃烧室高压区的位置由燃烧室前端向隔板移动,压强沿燃烧室径向变化较小,沿轴向变化较大,燃烧室头部和尾部近壁面区域一直处于低温;6 ms时隔板打开,第Ⅱ脉冲燃烧室压强下降05 MPa,药柱内孔前后端压强差波动剧烈,药柱内孔前端温度场下降600 K,而其他区域温度变化较小。隔板打开后,沿隔板下游第Ⅰ脉冲燃烧室轴线形成带状高温区,第Ⅰ脉冲燃烧室头部和尾部依次出现压强峰值,第Ⅰ脉冲燃烧室压强在18 ms时达到稳定,而温度在25 ms时达到稳定。试验测得的第Ⅰ、Ⅱ脉冲燃烧室压强-时间曲线和仿真结果吻合较好,表明该仿真方法具有一定的准确性。     

基于Monte Carlo的聚焦型X射线脉冲星望远镜多物理场耦合分析方法

聚焦型X射线脉冲星望远镜(XPT)是涉及光学、机械学、热学等多学科的复杂航天载荷,多物理场耦合分析对提高其在轨性能和可靠性至关重要。传统的光机热多场耦合分析(MCA)方法并不能考虑X射线能量及其反射率信息,而且存在学科间数据传递困难的问题。为此,首先基于Monte Carlo和X射线全反射理论提出了一种高效的多物理场耦合分析方法。该方法同时考虑X射线能量和反射率两大特征信息,基于有限元分析(FEA)法建立了XPT热-结构物理场耦合方程和有限元分析模型,针对不同工况进行热分析、结构分析以及热-结构物理场耦合分析。其次,采用Construction Geometry函数分别提取不同工况下光学镜头面形的形变量,并基于多项式函数对变形后的镜头面形进行拟合和误差分析。然后,基于所提方法对变形后的光学系统聚焦性能进行分析与评价,得到镜头形变对XPT光学聚焦性能的影响规律。最后,以多层嵌套的XPT为例,对不同视场角和形变的X射线光学系统聚焦性能进行了仿真分析。结果表明,在全视场时热-结构耦合形变、热形变及结构形变导致XPT聚焦性能分别下降30.01%,14.35%和7.85%,弥散斑均方根依次为2.9143 mm,2.6038 mm,2.5311 mm。通过与试验结果对比分析,验证了所提方法的有效性,可用于XPT的可靠性设计。     

基于椭圆空腔虚拟势场的航天器集群控制方法

航天器集群由多个航天器在空间轨道上近距离飞行,进行信息交换,并相互协同共同完成空间任务。航天器集群作为智能集群在空间领域的表现形式,是智能集群的重要组成部分。当前,许多空间科学研究机构提出了多个航天器集群的研究计划,如 ANTS计划、APIES计划等。文章以在小行星带探测航天器集群为研究对象,提出了航天器集群的自组织控制方法,利用虚拟势场力使得与这个参考航天器构成最大距离可控的空间构型,从而保 证了航天器集群中的所有航天器共同构成松散空间构型。     

电动汽车牵引用水冷异步电机耦合场分析

基于Ansys多物理场仿真分析平台,对1台车用异步电机进行多物理场耦合分析。仿真电机连续运行在额定工况和峰值工况下的温升和热应力,对电机各部分温度场分布进行深入分析,预测电机峰值工况的最长允许时间。通过热-结构的有限元仿真分析电机内部结构的热应力分布,深入分析转子导条端部与端环焊接位置和机壳与铁心过盈配合面的热应力,校核转子导条端部是否存在开焊的风险,并通过热仿真和应力分析计算机壳与铁心在最高温升工况下不发生滑移或涨开的过盈配合量取值。     

纳秒激光烧蚀铝靶羽流流场能量转化过程分析

为研究高能脉冲激光烧蚀铝靶材瞬态流动过程和形成的羽流流场能量转化过程,采用阴影法对纳秒激光烧蚀铝靶羽流膨胀及演化过程进行研究,得到烧蚀流场演化时序图;利用动量守恒方程,建立烧蚀羽流在环境气体中膨胀模型。由实验测量结果,通过对流场参数的无量纲化处理,分析得到烧蚀流场无量纲羽流动能、环境气体动能以及热能之间的能量转化过程。研究表明,初始时刻,由于烧蚀压要远大于环境气压,羽流膨胀与真空中的自由膨胀行为类似,此后,羽流动能逐渐转化为环境气体动能和热能;当无量纲激波半径为1时,羽流的无量纲动能等于被羽流推起的气体的动能,而热能约等于总能量的1/2,最终全部转化为羽流和环境气体热能。     

气动力/热与结构多场耦合试验模型方案初步设计

以多渠道、多机制交叉耦合为热防护结构特点的新一代高超声速飞行器必须采用气动力/热与结构多场耦合计算方法进行研究。目前,国外已建立较完善的耦合分析系统并用于飞行器研制,国内的中国空气动力研究与发展中心(CARDC)也已自主研发了热环境/热响应耦合计算平台(FL-CAPTER)。为验证多场耦合计算平台所用方法的有效性和计算结果的准确性,设计并开展气动力/热与结构耦合的地面试验具有十分重要的意义。本文结合气动力/热与结构多场耦合试验设计需求,以现有材料和设备能力为依托,开展了试验风洞选取、模型尺寸估算、模型材料选择、模型气动设计与模型结构设计工作。初步研究表明,模型支撑结构附近迎风面局部高温热膨胀将有利于模型前体结构产生可观的整体变形量。本文以此设计了带压缩拐角的二级压缩面结构模型,通过短时间不锈钢模型验证试验和计算对比分析初步验证了模型设计的可行性,并以此为基础预测了高温合金模型的试验结果。为下一步开展高温合金长时间风洞试验奠定了技术基础。     

基于SIFT算法的含碳颗粒凝胶推进剂雾化场速度分析

雾化是凝胶推进技术的关键问题之一,雾化过程中的液膜、液丝及液滴等的速度分布、液膜厚度等参数对于判断雾化效果、揭示雾化机理具有重要作用。为了对含碳颗粒凝胶推进剂雾化场的速度进行定量分析,提出了一种基于SIFT关键点匹配的雾化场速度计算方法,并以雾化场速度分析为基础,提出了一种新的液膜厚度估算方法。结果表明:雾化场速度随射流速度的增大而增大,随撞击角度的增大而减小;雾化场平均速度与射流速度的比值vato/vjet在0.6~0.9,可用于表征雾化效果,vato/vjet越小,雾化效果越好;射流撞击形成液膜的厚度在0.04~0.13mm,液膜厚度随着射流速度及撞击角度的增大而减小;凝胶推进剂的雾化效果随着碳颗粒浓度的增大而降低,随着碳颗粒粒径的增大而略有改善。