旋转飞行器固体火箭发动机内涡核流动的数值分析

为分析旋转飞行器固体火箭发动机内涡核流动,采用数值计算的方法对发动机流场进行模拟。计算结果显示发动机的旋转增强了轴向涡核流动,随着涡核的不断延伸,在喷管入口处,由于潜入式喷管结构以及喷喉直径较小,振荡运动随之加强。涡核在流经喷管时的不断增强,在喷管区域形成了非对称的压力形式,并且产生了实际中的扰动侧向力,最终导致了飞行器的章动不稳定性。     

MEMS梳齿音叉陀螺零偏漂移特性研究

由于MEMS（微机电系统）音叉陀螺多用于车载及无人机导航等应用场合,而外界温度环境因素对其零偏性能有着很大的影响,因此其零偏漂移的大小直接影响着最终导航的性能。本文研究了全温范围传感器漂移特性,旨在提升陀螺零偏稳定性。通过改进电路设计以及采用实时补偿算法对其全温范围零偏漂移进行补偿,将零偏稳定性提升了一个数量级。     

无温度传感器的金属振动陀螺温度补偿

金属振动陀螺是一种低成本、长寿命的新型简并模谐振陀螺,其结构相对简单,加工相对容易实现。但是,金属材料的温度系数和热膨胀系数大,其受到温度变化的影响明显,温度漂移对器件最终性能的影响较为明显。因此,对金属振动陀螺进行温度补偿,可以显著提高器件性能指标。建立了金属振动陀螺的温度模型,确定环境温度对器件谐振频率和零位偏移的影响关系。研究发现,金属振动陀螺谐振频率的温度系数具有超高线性度,可以替代温度传感器的作用,直接用谐振频率作为温度补偿量的输入。基于温度模型,进一步建立了温度漂移补偿模型,计算金属振动陀螺谐振频率的温度系数和零位偏移的温度关系,并对金属振动陀螺的温度漂移进行补偿。通过实验结果验证,金属振动陀螺谐振频率的温度系数为0.0536 Hz/℃,线性度达3.4×10~(-6),零位偏移和温度呈二次曲线关系,温度补偿后,金属振动陀螺的随机漂移可降低65%左右。     

跨声速压气机转子叶尖非定常流动的数值模拟

为了进一步加深对转子叶尖区域非定常流动现象的认识,针对某一跨声速单转子轴流压气机,采用三维非定常数值方法开展了详细研究。对单转子在不同进气条件以及不同工作流量下分别进行非定常模拟,来研究该转子叶尖区域复杂流动结构以及叶尖非定常流动的发展过程。结果表明:不同进气条件下,转子叶尖区域流场结构形式表现不同.当进口非轴向进气时,叶尖非定常流动呈单通道周期形式;而轴向进气时,叶尖区域出现了类似于“旋转不稳定”的沿周向传播的非定常流动现象,且随着工作流量的减小,叶尖区域流场结构也相应发生改变.      

高超声速1 MHz 高频脉动压力测试技术及其应用

为了研究高超声速边界层内的高频脉动结构,特别是第二模态不稳定波,在 FD-07风洞中搭建了一套1MHz 量级高频脉动压力采集系统。风洞背景噪声和电磁噪声是影响高频脉动结构测量的主要原因。在风洞流场品质无法改变的前提下,对高频脉动压力采集系统的信号传输进行了改进,包括工频电源隔离、传输电缆屏蔽和采集设备接地等。通过改进措施,采集系统的抗电磁干扰和信号衰减的能力得到改善,其信噪比得以显著提升。结果表明,改进前后各频段噪声的能谱密度大幅降低(在频率400 kHz 以下,噪声能谱密度降低了一个量级以上)。最后,利用该测试技术成功地在 FD-07高超声速风洞中进行了边界层稳定性实验,捕捉到了第二模态不稳定波,其主导频率范围与线性稳定性理论预测结果吻合。     

局部喘振频率特性及估算方法

基于跨声速压气机实验,获得局部喘振现象轴向、低频、轴对称的频率特征;从局部喘振现象的物理本质出发,证明其与Helmholtz共振腔模型在物理上是相似的,采用Duct-Compressor-Plenum模型发展了实验台系统Helmholtz频率的估算方法,估算结果与实测的局部喘振频率基本一致;为了实验验证局部喘振与系统频率之间的关系,通过改变Helmholtz共振腔模型特征参数进行了跨声速实验,结果表明:局部喘振频率随着系统Helmholtz频率的下降而减小,并且两者的频率值也趋于一致,证明了局部喘振频率就是系统Helmholtz频率这一结论.      

等离子射流在圆柱充液室中扩展、掺混的实验及数值模拟

为了研究等离子射流与液体工质相互作用特性,设计了圆柱型充液室,运用数字高速录像系统观察了等离子射流的扩展过程,重点研究了放电电压对等离子射流扩展特性的影响。实验结果表明,等离子射流在液体中扩展时,两相流体存在较大的速度差,Taylor-helmholtz不稳定效应导致强烈的两相湍流掺混,Taylor空腔的亮度在时空上呈非单调分布;放电电压越大,Taylor-helmholtz不稳定效应越强。在实验基础上,建立了等离子射流扩展的二维轴对称非稳态可压缩流的数学模型,并进行了数值模拟,获得了射流场中Taylor空腔界面的形态变化,以及流场中压力、速度、温度、湍动能和湍流耗散率的分布特性。由Taylor空腔界面扩展云图计算得到的Taylor空腔轴向扩展位移与实测值吻合较好。     

隔板对燃烧室声学特性的影响

为了研究液体火箭发动机燃烧室出现的横向一阶切向燃烧不稳定,通过冷态声学试验和理论算例的计算,研究了不同参数的隔板装置对一阶切向声学频率及阻尼特性的影响,结果表明:增加轴向隔板长度和径向隔板数目均会降低一阶切向声学频率,同时增强声阻尼效果;喷嘴式隔板产生的声阻尼效果,比典型直板形状的隔板要好得多,隔板喷嘴最佳间隙在0.1~0.4mm,采用最佳隔板喷嘴间隙能够在较短的轴向隔板长度上得到较高的阻尼能力,从而改善冷却问题.      

液体火箭发动机非稳态燃烧过程对其稳定性的影响

基于模型分析了由非稳态燃烧过程引起的不稳定热释放这一激励源项对稳定性的影响,探讨了相应的激励机理。采用小扰动分析方法,将一维层流预混火焰燃烧模型方程分解为稳态和非稳态两类控制方程,建立了线性增长率中燃烧释热项的计算方法,获得了温度及释热量的空间分布,探讨了初始温度及比热比变化对其影响规律。结果表明:采用高能推进剂的燃烧系统具有相对较低的稳定性,而对于同一种推进剂,比热比的增加会导致稳定性对频率的敏感程度增加,且具有明显的频率选择性。      

隔板喷嘴对燃烧室切向声学模态作用研究

隔板喷嘴通过改变燃烧室声学特性,在抑制火箭发动机高频燃烧不稳定性方面具有重要作用。然而,目前并没有合适的理论模型,来预测隔板喷嘴对燃烧室声学特性的作用规律。为了获得隔板喷嘴对燃烧室内切向声学振荡模态作用的理论模型,通过理论推导隔板喷嘴声导纳,利用分离变量法结合实验验证,研究了径向隔板喷嘴间隙、数量及长度对燃烧室一阶切向声学振荡模态的影响。结果表明,存在最佳隔板喷嘴间隙,对燃烧室内一阶切向声学振荡模态抑制效果最佳;随着隔板喷嘴数量或长度的增加,燃烧室内一阶切向声学振荡模态频率和幅值均呈现下降趋势,且弱化了隔板喷嘴间隙的作用效果。该模型为隔板喷嘴研究奠定了一定的理论基础,研究结果为火箭发动机隔板喷嘴设计提供指导。