超声速气流中液体喷雾流动数值模拟研究

超声速气流中液体喷雾流动特性对超声速燃烧基础研究及其工程应用具有重要意义。为了定量探索超声速气流中液体横向射流雾化特性，本文对超声速气流中液体喷雾流动进行了数值模拟研究。数值模拟方法基于Eulerian-Lagrangian两相流计算架构，考虑气液双向耦合，采用KH/RT液滴二次破碎模型计算液滴雾化过程，采用大涡模拟计算气相流动。结果表明，该数值模拟方法所获得的液雾场突起结构、穿透高度、液滴平均速度分布等液雾特性均能与试验结果较符合；初始液滴直径分布对破碎后液滴平均速度影响较小而对破碎后液滴平均直径及液相平均体积分数影响较大，初始液滴直径分布需在后续的建模与模拟中进行更多研究。     

无塌陷型面出流及输送管内推进剂利用技术研究

针对火箭通用芯级氧箱的共底贮箱结构，通过理论分析及数值仿真，提出了“无塌陷型面+消漩叶片”的出流方案，并通过优化型面起始点半径，确保出流过程中不产生明显的液面塌陷。仿真及缩比试验结果表明，相比传统的“圆盘+倒锥”出流方案，贮箱推进剂在无塌陷型面出流方案下的出流过程中，没有明显的气液掺混或漩涡夹气现象，贮箱内推进剂可得到充分利用。在此基础上，利用Wallis两相漂移模型对输送管内两相介质传播速度进行了理论研究，并结合出流过程中气泡运动速度的试验结果，提出了输送管内推进剂的可用量准则。     

APU舱门局部结构排液分析

依据APU舱排液相关的适航条款要求，在10 min内需要通过排液结构排出超过90%的舱内积液且不增加额外着火风险。由于舱门为APU舱的主要排液结构，为满足适航要求，目前已有针对民用飞机APU舱门排液分析方法的研究工作，主要从结构总体布局的角度出发，假定全APU舱存在唯一确定排液口，讨论分析了排液口尺寸与排液速率的关系。但对于局部结构的排液能力鲜有讨论，当APU舱门采用分段密封件布局时，不当的结构外形以及不合理的尺寸设计，可能导致可燃液体从密封搭接位置泄露，从而增加意外着火的风险，因此局部结构的排液设计对于舱内液体安全有效的排放同样十分重要。基于大型客机APU舱门的排液需求，分析了舱门局部积液结构的排液能力以及相关影响因素，针对此类因素，确定其设计要点，并分别给出了对应的结构优化措施。     

液液同轴离心式喷嘴动态特性理论研究

为了研究液液同轴离心喷嘴的动态特性，通过理论方法建立了同轴喷嘴中内喷嘴、外喷嘴的传递函数。其中内喷嘴传递函数参考了Bazarov的喷嘴动力学理论。基于非定常伯努利方程，结合压降振荡条件下喷嘴内液体不同速度分量变化量之间关系的分析，推导了外喷嘴的传递函数。通过将内外喷嘴独立的传递函数相结合，获得了同轴喷嘴总流量振荡以及氧燃比振荡的幅频特性。对一具体同轴喷嘴进行了计算，结果表明，内喷嘴在计算频率范围内会出现敏感频率点。在压降振荡同相位情况下，高频时内外喷嘴之间流量振荡相位差较大。通过仅改变内喷嘴或外喷嘴切向孔的数目，对氧燃比1.65，富燃及富氧三种同轴喷嘴整体动态特性进行了分析。三种同轴喷嘴的计算结果中均发现了新的敏感频率点。     

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。     

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。     

气液两相流混合模型代数重构方法

为提高国家数值风洞工程气液两相流软件混合模型求解器的自由界面模拟分辨率，增强多介质流体界面问题的模拟能力，基于代数重构方法，应用双曲正切函数界面捕捉格式对体积分数进行了插值重构，实现两相流混合模型与自由界面代数重构方法的耦合，抑制原混合模型下自由界面的非物理耗散现象，保持界面清晰尖锐；引入预处理技术，解决低速流动中由于特征值量级差距导致的计算刚性问题，提高收敛速度；应用双时间进行非定常时间推进。最后，采用方块对流、Zalesak盘刚性旋转和溃坝算例进行考核验证，数值结果显示，耦合了双曲正切函数界面捕捉格式的两相流混合模型在保持质量守恒的同时，获得了更高的自由界面分辨率，以及更丰富的多相流动细节。     

充液挠性航天器姿态机动终端滑模控制

对存在未知外界干扰、参数不确定问题的刚–液–柔多体耦合航天器姿态控制进行了研究。将液体燃料的晃动等效为球摆模型，挠性附件假设为欧拉–伯努利梁，运用拉格朗日方法建立航天器的动力学方程。将外界干扰、航天器转动惯量的参数不确定性以及液体晃动和挠性附件振动带来的耦合干扰归结为集总干扰，设计干扰观测器对其进行补偿；在干扰观测器的基础上，设计一种模糊滑模控制律。在原有的终端滑模控制基础上采用模糊控制对切换增益进行改进，达到抑制系统抖动的目的。数值仿真结果表明：所设计的模糊终端滑模控制律不仅能够实现充液挠性航天器的姿态机动，而且能够有效抑制液体晃动和挠性附件的振动，具有更好的控制性能。