基于Surface Evolver的推进剂贮箱气液界面分析

推进剂贮箱是航天器系统的重要部件,用于实现推进剂的管理与输运.在空间微重力条件下,贮箱内部液面呈弯曲状,掌握其液面分布特性是保证贮箱正常工作的前提.针对球形推进剂贮箱,采用Surface Evolver软件对其内部气液自由界面分布特性展开研究,分析充液比、接触角、Bond数等参数对贮箱液面的影响,得到液面分布随各参数的变化规律.研究结果表明,球形贮箱液面曲率随充液比的增大而增大,随接触角或Bond数的增大而减小.研究结果有助于实现推进剂贮箱液面快速分析,为贮箱及推进剂管理装置设计提供参考.      

基于能量调节的电动静液作动器设计与仿真

电动静液作动器是功率电传系统的执行机构,在作动器端把电能转化为局部液压能,兼具传统液压系统和直接电力驱动作动器的优点.相比阀控作动器,电动静液作动器的效率和可靠性获得提高,但是带宽和刚度受到限制,因此提出了一种基于能量调节的新型电动静液作动器.能量调节器根据不同的控制响应需求向系统提供附加流量.液压锁用于切换系统工作模式,保持液压缸的输出位置.基于能量调节器的数学方程分析,得出其容积优化原则,并对系统控制策略进行了专门的设计.仿真结果验证了系统响应速度和频宽的改善.     

贮箱内低温推进剂汽化过程的CFD数值仿真

为研究贮箱内低温推进剂相变对推进剂温度和贮箱压力的影响,对贮箱内的传热传质过程进行了仿真.仿真涉及的物理过程包括贮箱与外界环境的换热、推进剂的自然对流、推进剂与贮箱内壁面的换热以及低温推进剂的相变过程等.根据热力学平衡原理建立了低温推进剂相变模型,使用CFD(Computational Fluid Dynamic)方法对处于地面常压停放状态的液氢贮箱进行了450 s的仿真.研究表明随着贮箱壁面传热过程的稳定,推进剂的温度分布、流动状态以及相变情况会趋于稳定;通过仿真获得了推进剂单位时间的汽化量;影响相变的主要因素是贮箱壁面漏热以及推进剂自身的对流运动.     

基于力的电动静液作动器阻抗控制

阻抗控制作为一种柔顺控制方式,能够实现力与位置的协同控制,在作动系统需要与外部环境发生接触的应用中具有一定优势。在集成、高效的电动静液作动器(EHA)上实现基于力的阻抗控制具有良好的应用前景,其中核心问题是EHA力伺服控制器的设计。针对阻抗控制中外部负载特性不确定,EHA部分结构参数时变等问题,采用定量反馈理论(QFT)的方法对力伺服控制器进行设计。在对EHA数学模型及参数进行分析的基础上,通过QFT方法将被控对象的不确定范围与系统性能设计指标相结合,并以定量的方式在Nichols图上形成边界,在使标称对象的开环频率特性曲线满足各边界约束条件的同时完成力伺服控制器的设计。通过不同外部负载条件下的力伺服控制实验以及静、动态阻抗控制实验对EHA的力伺服控制器与阻抗控制系统进行了验证。实验结果表明:通过QFT方法设计得到的力伺服控制器对外部环境具有较强的鲁棒性,从而确保了EHA阻抗控制的成功实现。     

航天刚-弹-液耦合系统的弹-液耦合研究

航天刚-弹-液耦合动力学中的弹-液耦合问题是关系到航天刚-弹-液耦合系统液固耦合机理研究和大规模液固耦合建模计算研究的重要课题。通过分析刚-弹-液耦合动力学拟变分原理的泛函,说明刚-弹-液耦合中的刚-弹耦合、刚-液耦合和弹-液耦合的特点。应用Lagrange乘子法,将无际边界条件纳入泛函中,通过识别Lagrange乘子,逐步说明弹-液耦合的机理。通过对泛函求驻值发现,无际边界条件由原来的先决条件转化为驻值条件,实现了从协调元到杂交元的过渡。通过分析泛函识别Lagrange乘子前后的驻值条件,明确了识别Lagrange乘子可以有效地减少计算自由度。      

不同重力条件下水平管内气液两相流流型及空隙率分布的数值模拟

基于VOF方法建立了不同重力条件下水平管内气液两相流动的三维非稳态数学模型并进行了数值求解, 研究了10-4g₀, 0.17g₀, 0.38g₀, 1g₀ (g₀=9.8m·s-2)四种重力条件下水平管内气液两流型及变化规律, 比较了不同重力条件下管内截面空隙率的分布和波动规律. 研究结果表明, 该模型能够正确预测不同重力条件下水平管内气液两相流的流型、截面空隙率和滑速比等重要参数; 同一气液两相表观速度工况下, 随着重力水平的升高, 气相更容易在水平管的上部积聚合并, 致使流型发生变化, 同时, 气液两相滑速比增大, 截面空隙率波动峰值的平均值下降, 波动频率降低; 而随着气液两相表观速度的增大, 两相混合工质内惯性力作用也随之增强, 这将削弱重力变化的影响.      

MESSENGER飞船推进剂贮箱的设计与制造

基于MESSENGER飞船的需要,开展了一种新型超轻贮箱的设计、制造和试验工作,整个过程分方案论证、分析与设计以及制造与试验三个阶段.第一阶段考虑了50多种贮箱结构,反复分析后确定了一种最有效的方案;第二阶段致力于防漩器、防晃板和贮箱壳体的设计与分析,包括用缩尺模拟试验确定防晃板的数目、尺寸与安装位置、防漩器和防晃板的载荷分析与结构分析以及壳体应力与断裂力学分析;第三阶段制造了一个鉴定试验用贮箱(以下简称试验贮箱)和四个飞行贮箱(三个飞行、一个备用).贮箱壳体、防漩器和防晃板分别采用固溶处理和时效(STA)的6AL-4V钛合金材料、6AL-4V钛合金板和退火6AL-4V钛合金环.壳体由四条周向焊缝连接,其中两条焊缝具有STA特性,另外两条经过退火处理.五个贮箱采用相同的工序和工艺.试验贮箱必须经过正弦和随机振动试验的品质检验,该检验项目还包括具有破坏性的爆破压力试验.所有飞行贮箱在清理和交货之前要经过模拟飞行试验.飞行贮箱包括附属组件在内不得超过9kg.超轻贮箱对于MESSENGER飞船计划的成功将起到至关重要的作用.     

液膜射流和圆射流雾化过程的湍流演化特性

利用PIV技术,在相同喷射压力下对分属液膜射流和圆形射流的两种理论喷射类型的典型喷油器———涡旋喷孔和双喷孔喷油器的射流雾化的湍流演化过程进行了测量和分析,研究表明:在整个射流过程中,两种射流的空间相对湍流强度分布比速度分布发散,且集中分布在射流的上下边缘和根部区域;随着喷射时间的延长,射流流场的湍流强度值逐渐增大,且主要分布在涡旋射流的非前锋区域以及双孔射流的非前锋和非中心线区域;喷射开始后1.5ms和4ms时,涡旋射流中心区域的湍流积分尺度分量值较大,分别达到约6mm和7mm的量级,8ms时,涡旋射流流场的湍流积分尺度分布的发散程度比双孔射流明显,且雾化粒子速度方向与积分方向不同时得到的两个湍流积分尺度分量大小以及连续性等分布情况恰好相反;整个喷雾过程,雾化粒子y方向速度分量沿x方向积分得到的湍流积分尺度分量值均小于其他3个湍流积分尺度分量值且分布的不连续性明显。     

喷口速度扰动下液体射流的频率响应

基于界面捕捉VOF(volume of fluid)方法和网格自适应技术,对圆射流初始破碎过程进行了直接数值模拟,揭示了不同扰动频率对圆射流表面形态和液丝、液滴结构的响应特性。研究结果表明：Rayleigh线性化色散理论可以很好地对当前射流表面波的失稳过程进行解释。当喷口扰动频率（66.6 kHz）小于理论临界值95.5 kHz时,射流会随着时空演化逐渐失稳,而当大于临界值时,表面波振幅会逐渐减弱并逐渐变成光滑状态。表面波不稳定状态下脱落液滴会撞击波节结构,在其表面留在冲击凹痕;随着波节振幅不断增大,液膜发生穿孔式破裂,进而形成大量脱落的液丝和液滴结构。适当频率的扰动可以减少射流头部的速度波动,从而减缓射流的雾化进程;射流表面波的破碎和液核头部的破碎过程共同决定了喷雾场SMD(Sauter mean diameter)的大小,且两者存在相互耦合。     

榫槽结构浸没式管电极内喷液电解切割加工

在航空发动机中,用于连接涡轮盘和叶片的榫槽/榫头结构加工精度、表面质量要求极高,现有加工技术还不能实现涡轮盘榫槽结构的低成本、高效、高质量加工。电解线切割具有加工精度高、加工表面质量好、加工灵活性强等特点,对涡轮盘榫槽结构的低成本加工具有原理性优势。针对管电极内喷液电解切割时,切缝侧壁表面粗糙度不均匀问题,提出了浸没式管电极内喷液电解切割加工方法。在较为稳定、均匀的外部流场和快速流动的加工间隙内部流场共同作用下,实现了大厚度难加工材料的高效高质量加工。结果表明,相比于管电极内喷液电解切割,浸没式管电极内喷液电解切割加工出的切缝侧壁表面粗糙度比较均匀,整体加工质量较好。优选出内喷液压力,以4.5μm/s的进给速度在20 mm厚的高温合金GH4169工件上加工出表面粗糙度为Ra 1.247μm的涡轮盘榫槽结构。