实用化壁面切应力测量技术的综述与展望

本文围绕“实用化”这一主题对低速条件下常用的壁面切应力测量方法进行综述。实用化壁面切应力测量技术指的是能够方便、可靠、经济地测量运载工具局部摩阻的方法。具体包括天平法、近壁速度法、普莱斯顿管法、图像法、热膜法等。在实用化过程中，现有的测量方法展现出各自的优缺点，其中缺点包括：不便于安装、使用与维护；传感器对运载工具姿态、振动、加速度、温度变化等因素有过大的响应；传感器无法标定或标定结果不唯一；传感器结构强度弱、易损坏、易被污染或易氧化变性；传感器昂贵导致无法实现大规模部署，等等。这些缺点限制了实际应用。本文分析了多种方法的特点和局限性，介绍了应用案例，并评估了实用化潜力。本文重点介绍了新型双层热膜摩阻测量技术。该技术利用一种具有上、下两层金属膜的双层“三明治”热膜传感器测量壁面切应力，两层热膜在相同的温度下协同工作，这样下层热膜“封堵”了上层热膜产生的热量，使其仅传给流体，进而解决了困扰该技术发展的热损失问题。该方法可根据上层热膜的发热量直接计算壁面切应力的大小，这一“免标定”特性提高了测量的便利性及可靠性，令其具有良好的实用化前景。     

LF3铝合金管自由磁胀形工艺及其形状控制

研究了LF3铝合金管无模电磁胀形工艺及不同工艺参数对胀形形状的影响规律，结果表明，放电能量，不同材料的保护管，放电频率及管坯成形长度对胀形形状有着显著影响，通过调整和选择上述工艺参数，可以控制圆管的胀形形状。成形管的中部形状为圆筒状，随状为形能量和频率增大，成形管径向变形也随之增大，而管坯端口处则随着保护管材料电阻的增大，口部由锥形向喇叭形变化，管坯成形长度对制件形状的影响表现为成形长度增加，制件中部圆筒状长度也增加，而端口部均呈尺寸大致相同的锥形或喇叭形，当管坯成形长度大于40mm时，在成形能量相同的条件下，制件在管坯端口和固定器附近的变形几乎一致，而与成形长度无关。     

带翼展飞行器质量质心测量系统设计与误差分析

为解决传统的基于三点法的质心测量系统无法应用于带翼展飞行器的问题，提出了一种基于三点方式的任意旋转角质心测量法。为了提高系统测量精度，采用响应面法分析多种随机误差对系统测量精度的综合影响。首先，构建了带翼展飞行器的质量质心测量系统，然后利用随机误差传递公式得到各个随机误差与系统测量精度之间的关系式，并使用响应面法和拉丁超立方抽样法得到多种随机误差与系统测量精度之间的二次项关系式模型，进而依据二次项关系式模型和系统精度指标得到各元器件的精度要求，并分析了满足系统测量误差的旋转角度范围。最后对200 kg、400 kg、800 kg三种质量级别的待测带翼展飞行器在不同旋转角度下进行了多次测量，并将响应面计算结果与理论值进行了对比。对比结果表明，质心测量精度满足系统精度要求，从而验证了任意旋转角度下该测量方法的有效性，以及随机误差与系统测量精度之间的二次项关系式模型的正确性。     

旋转FGMs层合圆柱壳行波模态频率分析

为推进功能梯度（FGMs）材料在发动机、导弹和火箭等领域的应用，旨在研究旋转FGMs层合圆柱壳的行波模态频率。采用Voigt模型和Sigmoid体积分数描述FGMs层合圆柱壳的材料属性，考虑科里奥利力、离心惯性力、环向初应力以及热内力推导了FGMs层合圆柱壳的能量表达式。采用切比雪夫正交多项式构造位移容许函数，建立了任意边界旋转FGMs层合圆柱壳的模态频率方程，并探讨了组分含量、夹层厚度、温度梯度和弹簧刚度系数等对FGMs层合圆柱壳模态频率的影响。结果表明:夹层厚度相比Sigmoid体积分数对模态频率的变化更为敏感；高旋转短薄壁圆柱壳相比长薄壁圆柱壳对边界条件和失稳现象的影响更为敏感；轴向弹簧相比其他弹簧对模态频率的影响更大。      

一种求解低速跨流域流固耦合问题的离散统一气体动理学格式

运动边界及流固耦合问题是低速及高速、连续流域及稀薄流域流动中常面临的多场耦合问题。本文在原始离散统一气体动理学格式基础上，采用任意拉格朗日-欧拉方法及动网格技术，并耦合计算结构动力学，实现适用于低速流动运动边界及流固耦合问题的计算方法。在方法验证方面，进行连续流域圆柱绕流强迫振动和自由振动数值模拟，计算结果与参考文献结果吻合良好，准确捕捉圆柱在锁频区和非锁频区的流动特性。在稀薄流域范围，将方法中的连续流D2Q9离散速度模型替换成跨流域离散速度模型，对比低速圆柱绕流强迫振动算例在两种离散速度模型下的数值结果。虽主要关注低速流动问题，但发展的算法仍具备模拟高超声速运动边界问题的能力，对此进行了Ma=5.0稀薄流振动圆柱研究。低速和高速运动边界模拟能力显示了方法在考虑稀薄气体效应流固耦合问题方面的潜在应用价值。     

倾斜射流撞壁铺展的数值仿真

为了加深对射流撞壁铺展形成液膜的认识，开展倾斜射流撞壁数值仿真研究。采用网格自适应加密技术对射流撞壁后的液膜铺展过程开展两相数值仿真研究，获得并分析了典型工况下液膜铺展的过程、流场结构以及射流撞壁区局部流动特征。从数值仿真结果中能清晰地分辨出液膜的关键特征，与试验结果的对比也表明了数值仿真方法的可行性与准确性。通过数值仿真发现，射流撞壁后，流动以滞止点为中心，呈辐射状向四周铺展，汇入液膜边缘处水跃区后流动方向偏转，并继续向下游流动，这是射流撞壁铺展形成液膜的基本过程；液膜的惯性力驱动着液膜呈辐射状向外铺展，而在液膜边缘位置处的表面张力和壁面接触角的影响下，液膜边缘形成高压区推动液膜收缩，液膜惯性力在壁面的剪切作用下逐渐减小，直至减小到与液膜边缘处表面张力等其他作用力相平衡，从而确定液膜的边界；数值仿真结果也验证了撞壁区流动的滞止点处于射流与壁面的椭圆形接触面的一个焦点附近。     

基于电加热膜防冰设计方案的分流环表面换热特性试验研究

分流环表面换热特性对提升防冰设计效能至关重要。针对传统热气防冰方案中试验件与试验方案系统复杂、成本高昂等问题，本文提出了一种新型电加热膜防冰设计方案的分流环表面换热系数的试验方法。根据能量守恒定律，推导出分流环表面换热系数理论公式。试验研究了不同俯仰角、速度、液态水含量（Liqid water content,LWC）以及水滴中位体积直径（Median volumetric diameter, MVD）等对分流环表面换热特性的影响。试验结果表明：前缘区域换热系数随俯仰角先增大后降低，25°俯仰角是明显的转折点；相同喷雾条件下的前缘区域、下表面区域的平均换热系数约是干空气条件下的3倍；分流环前缘的换热系数明显大于上、下表面的换热系数。     

气液比对气液同轴离心式喷嘴缩进室内流动过程的影响

为了研究气液同轴离心式喷嘴缩进室内部非定常流动过程,采用Level Set和VOF相耦合的方法结合网格自适应技术对缩进长度为8 mm的液体中心式气液同轴离心式喷嘴流动过程进行了数值仿真研究,计算得到了较为精细的液膜一次破碎过程、流场结构和压力振荡特性。结果表明：液膜的破碎模式受气液比的影响较大,随气液比的增加,液膜破碎模式由曲张表面波主导的破碎变为穿孔破碎。此外,清晰获得了自激振荡过程,分析了缩进室内部压力场及速度场分布特征,研究发现随着气体压降增加,气体环缝出口会出现膨胀波和激波,形成一个“扇环形”的超声速流场区域；激波后气流分离,出现旋涡,形成局部高压区,旋涡中心随激波面周期性地上下移动,致使局部压力出现周期性振荡。     

柔性变弯度后缘机翼的风洞试验模型优化设计

本文通过优化的方式设计了一种具有较高变形精度的适用于变体飞行器的柔性后缘变弯度装置。该装置通过结构的弹性变形传递力和运动，包括驱动器、一体成型的蒙皮与梁结构组成。在给定的结构拓扑形状下，为了寻找到最优的驱动、结构参数，本文系统化地提出了柔性变弯度后缘的设计框架。该设计框架包括了变弯度机翼外形参数化方法、变弯度气动外形的优化设计方法和结构参数优化方法，求解结构变形时考虑了几何非线性大变形，采用最小平方误差和考虑空间顺序的Fréchet距离来衡量后缘真实变形与目标变形之间的相似性。对比研究表明，最小误差距离不能捕捉到局部的噪声，而Fréchet距离可以很好地控制最大的变形误差，所需迭代次数较少，并能获得整体变形精度较高的结果。数值仿真验证了所提出的优化方法的有效性。本文对多种具有不同拓扑的初始结构进行参数优化，最大能提高91%变形精度。最后，利用增材制造技术实现了柔性变弯度后缘翼段，该部件具备下偏22.5°,上偏7.5°的变形能力。