高超声速飞行器高温流场数值模拟面临的问题

随着高超声速飞行器目标光辐射和电磁散射特性研究的发展和深入,高温流场特性日益引起人们的关注。由于高温流场特性研究中涉及到非常多的复杂气动现象,如气动加热、烧蚀、辐射、燃烧、化学反应以及湍流等,因此其数值模拟面临着诸多挑战。这里基于连续流计算流体力学(CFD)技术和稀薄气体蒙特卡罗直接仿真(DSMC)方法,从化学物理模型建模、方法稳定性与数值求解效率出发,分析了高超声速飞行器外部绕流、尾迹和发动机喷焰三方面的流场特性数值模拟在不同弹道、热防护手段和飞行流域环境下所面临的问题。在此基础上提出了数值求解技术和化学物理模型建模今后需要发展的方向,为有效提高高超声速高温流场特性数值模拟效率、增加流场特性预测精度提供了指导,从而为研究流场对高超声速飞行器目标光辐射和电磁散射特性影响提供有效的基础数据。     

高超声速飞行器推进系统建模

为在高超声速飞行器设计初期快速地获得推力和推力矩,以满足控制相关分析和建模需要.提出一种推进系统建模方法,基于激波/膨胀波相交理论来建模与机身耦合的进气道模型;用有摩擦变截面加热管来描述双模态燃烧室;将内喷管建模成一维变截面摩擦管,采用动量定理估算推力,并通过曲线拟合得到推力的解析表达式.与CFD计算结果相比,该模型计算得到双模态冲压发动机入口气流马赫数和温度误差小于5%,压强误差小于10%;计算得到的推力随马赫数、燃油当量比和迎角的增大而增加,随高度增加而减小,单个状态平均计算时间小于0.5s.计算结果表明:该建模方法满足面向控制建模的效率和精度需求,有助于此类飞行器设计初期的动力学和控制相关的分析和设计.      

激光吸收光谱技术测量非均匀燃烧流场研究进展

可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)具有非侵入性、灵敏度高和时间响应快等优点,将激光吸收光谱技术与最小二乘法、计算机断层扫描重建技术(CT)相结合,可以实现对非均匀燃烧流场的分布测量。首先简要介绍了激光吸收光谱技术的发展历程及测量基本原理,然后分别对激光吸收光谱技术测量非均匀流场一维分布、二维分布的国内外研究现状及关键技术进行了综述,比较分析了二维非均匀流场诊断实验中旋转和固定两种安装模式的优缺点及相对应的光线布局,总结了用于流场二维重建的相关重建算法,最后讨论了激光吸收光谱技术测量非均匀流场研究工作的发展趋势和有待解决的相关问题。     

三维造型和非轴对称端壁在跨声速压气机中的应用

为了提高跨声速压气机转子的气动性能,基于全三维数值模拟优化平台,对该转子先后进行了三维造型和非轴对称端壁造型,并对造型前后转子的性能和流场结构进行了对比分析。结果表明:三维造型和非轴对称端壁造型均可以改善跨声速压气机的气动性能,三维优化造型后近设计点压气机等熵效率提高了0.75%,非轴对称端壁优化造型后等熵效率进一步提高了0.3%,同时压气机的非设计工况性能也得到提升。三维造型改变了通道内激波位置,调整了负荷沿径向的分布,最终提高了压气机等熵效率。非轴对称端壁通过改变叶根截面叶片表面静压分布,使得叶根附近激波强度减弱并向下游移动,进而有效地降低了端壁区域的横向二次流强度。     

基于等换算转速调节的涡轮增压固冲发动机非设计点性能研究

为了得到优良的涡轮增压固冲发动机(TSPR)的非设计点性能,提出了等换算转速、等余气系数的调节规律,通过确定TSPR非设计点共同工作过程,建立了TSPR非设计点性能模型。以高空高速(22km,Ma3.64)为设计点,计算和分析了0km,5km,10km,15km高度下TSPR的非设计点性能。结果显示:当采用等换算转速和等余气系数的调节规律时,TSPR非设计点工作范围宽广,具有良好的非设计点性能,最大推力是最小推力的3倍左右,最大比冲超过800s;在(10km,Ma2.5)的非设计点,通过调节转速,可以获得1.55倍的推力调节比和稳定的比冲性能;最后得出:提高转速,增加飞行速度,提高富燃流量驱涡流量比是增强TSPR性能的有效途径。     

二元收-扩喷管与球形收敛调节片喷管的性能对比研究

为了对比二元收-扩喷管(2DCD)与球形收敛调节片喷管(SCFN)的性能,基于CFD数值计算软件对2种喷管在相同工作点下进行了内外流场计算与分析。数值模拟结果表明:在相同高度及飞行马赫数条件下,SCFN的流量系数相较于2DCD呈现出较大不同,推力系数则略差于2DCD;在低落压比条件下,2种喷管内流对后体阻力特性影响不大;在高落压比条件下,2种喷管内流对后体阻力特性影响较大。     

基于正交基变换的旁瓣对消算法研究

针对广义旁瓣对消算法中阻塞矩阵难以构造的问题,提出了一种基于正交基变换的广义旁瓣对消算法。该算法在任意布阵形式下都可以方便地计算出阻塞矩阵,可以大大提高算法适应性。该方法易于在硬件上实现,通过正交基变换数据预处理,可以使波束指向期望方向,通过旁瓣对消算法实现对干扰的抑制。最后,通过理论推导并结合计算机仿真验证了该方法的有效性。     

低温微量润滑技术喷嘴方位正交试验研究

低温微量润滑切削技术作为一种理想的绿色冷却润滑方式,已经成为机械加工领域研究的热点之一.选择外部微量润滑与低温冷风的集成作为低温微量润滑系统的实现方式,给出了确定系统喷嘴方位的3个参数:喷射方向与进给方向夹角β、喷嘴仰角α和喷嘴距切削区的距离d,并分别构建了其几何模型.针对β角,给出了最优β角与切宽半径比(B/R)的曲线.通过正交试验研究了喷嘴方位的3个参数(β、α、d)对低温微量润滑切削性能影响的重要程度.结果表明,距离d对切削性能的影响最大;其次是β角;α角的影响最小,可根据实际工况选择α在30°～60°即可.     

面向飞机自动钻铆系统的工业机器人精度补偿技术

新型飞机对我国航空制造业提出了更高的要求,工业机器人在飞机自动钻铆系统中的应用越来越广泛.由于工业机器人自身的绝对定位精度无法满足飞机自动钻铆系统的精度要求,研究机器人的精度补偿技术显得至关重要.分别对基于运动学标定、基于非参数标定和基于实时反馈的机器人精度补偿技术进行了简要的介绍.     

流体微团作用与流动结构变化试验分析

为了分析湍流流动中流体微团所受作用与流动结构变化之间的关系,在槽道湍流边界层中通过粒子图像测速(PIV)技术,拍摄流向-展向平面流场,采用本征正交分解方法提取湍流流动中不同尺度的含能结构。采用矢量象限组合分析方法,将流场中流体微团所受作用分为肿胀作用、弯曲作用和旋转作用。结果表明:流动结构变化机理与这3种作用相关;肿胀型条带间流体微团受到的主要作用是弯曲作用,在弯曲作用下直条带会弯曲,弯曲条带在肿胀作用下汇聚成肿胀型条带;随着流动结构尺度减小,旋转作用逐渐增大。