Methods and advances in the study of aeroelasticity with uncertainties

Uncertainties denote the operators which describe data error, numerical error and model error in the mathematical methods. The study of aeroelasticity with uncertainty embedded in the subsystems, such as the uncertainty in the modeling of structures and aerodynamics, has been a hot topic in the last decades. In this paper, advances of the analysis and design in aeroelasticity with uncertainty are summarized in detail. According to the non-probabilistic or probabilistic uncer- tainty, the developments of theories, methods and experiments with application to both robust and probabilistic aeroelasticity analysis are presented, respectively. In addition, the advances in aeroelastic design considering either probabilistic or non-probabilistic uncertainties are introduced along with aeroelastic analysis. This review focuses on the robust aeroelasticity study based on the structured singular value method, namely the ~t method. It covers the numerical calculation algo- rithm of the structured singular value, uncertainty model construction, robust aeroelastic stability analysis algorithms, uncertainty level verification, and robust flutter boundary prediction in the flight test, etc. The key results and conclusions are explored. Finally, several promising problems on aeroelasticity with uncertainty are proposed for future investigation.     

受侧向膨胀影响的爆震波传播过程研究

基于Fay流体扩张理论,运用实验观测、数值模拟和理论分析等方法研究了侧向膨胀对爆震波传播过程的影响.详细分析了爆震波在侧向膨胀段的流场结构,由于气体可压缩壁面限制性作用较弱,爆震波强度受到不同程度衰减,波面发生一定变形,横波数量明显减小且横波间距增大.对比研究了预混气活性对爆震波流场结构和传播过程影响,实验发现预混气活性较高时,即ER=1.0,爆震波能够抵御侧向膨胀衰减影响,能够自持传播;预混气活性较低时,即ER =0.7,其抵御侧向膨胀能力较弱,速度亏损变大,波面变形严重,爆震波解耦而熄爆.若要维持爆震波在气体可压缩壁面稳定传播,需要一定活性来抵御侧向膨胀影响.     

进气温度与压力对涡流管性能影响的实验

实验研究了涡流管进出口膨胀比(2~5)、节流阀开度(1~11)和进气温度(313~373K)对涡流管性能的影响,重点分析了制冷和制热温度效应随上述参数的变化规律.研究中发现:随着进口膨胀比增加,管内涡流强度增强,不同半径处气流的角速度梯度增大,涡流制冷温度效应增强10.9%,制热温度效应增强46.5%.随着节流阀开度增加,冷/热气流之间能量交换的程度提升,涡流效应增强,冷流率增大47.3%.随着进气温度增加,涡轮管性能逐步提升.实验结果表明:进气温度每增加20K,制冷温度效应平均增幅约为12%,制热温度效应平均增幅约为5%.      

JF-16膨胀管流场分析及升级改造

膨胀管（风洞）是少数几种具备超高速流动模拟能力的地面试验设备之一,针对中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室的爆轰驱动膨胀管JF-16,通过高焓流动数值模拟方法辅助诊断JF-16的流场特性可以发现,高温真实气体效应可以显著增加激波对气体的压缩能力并影响强激波结构,加速段内试验气流静温及化学成分较真实飞行条件有所偏离。为此对JF-16进行升级改造,通过在加速段末端加装锥形喷管,利用喷管的定常膨胀过程进一步调整试验气流的静温,进而提高试验气流品质,同时可以扩大试验区尺度。数值模拟结果表明8°锥角为最优选择,此时试验区尺度可扩大至140 mm。     

固体火箭发动机喉衬用轴编C/C复合材料的细观热结构特性分析

为研究固体火箭发动机喉衬用轴编C/C复合材料的细观热结构特性,以组分材料之间界面分析为基础,完成热结构参数的实验测定与基于代表性体积单元的等效热物理参数的预测,得出轴编C/C复合材料的等效热膨胀系数与等效热导率系数。分析表明:基于代表性体积单元程序温度周期性边界条件的应用,可以较精确预测复合材料等效热膨胀系数和等效热传导率;得出了组分材料界面相对等效热结构参数的影响,组分材料界面相采用一定厚度的单元模拟更加接近实验数据;讨论了等效热膨胀系数和等效热导率随编织参数的变化规律。     

孔冷挤压有限元仿真中的铰削分界面位置确定方法

开展孔冷挤压过程有限元仿真计算是残余应力分布获取和疲劳寿命预测的前提。在有限元建模阶段,设置铰削层单元与基体材料单元之间的分界面,是模拟铰制终孔工艺过程的关键。通过弹塑性力学分析,建立了挤压强化过程芯棒、衬套和被挤压强化连接孔的应力分析方法;基于分析中得到的不同位置处微单元的径向位移量,建立了铰削分界面相对位置计算模型。并开展了关键参数的敏感性分析,定量研究了关键参数变化对残余应力分布和径向位移量的影响程度。本工作为孔冷挤压强化有限元模型建立中,铰削层单元与基体材料单元分界面相对位置确定,提供了便捷可靠的方法。     

超高速流动模拟及热化学反应模型对比研究

超高速流动是飞行器再入大气层时所面临的高速高温流动环境,膨胀管是少数几种能模拟超高速流动的地面设备之一。采用数值模拟方法对超高速试验进行辅助分析诊断,流动模拟时热化学反应模型的选择对流场特性影响较大,分别选择5组分、11组分热平衡及5组分热非平衡模型,对比研究3种不同热化学反应模型对双楔试验模型数值模拟结果的影响,以进一步评估超高速流动模拟时热化学反应模型的适用范围。结果表明,试验气流条件下5组分化学模型即可满足要求,加速气流条件则必须采取11组分化学模型,而对于流动中热非平衡效应显著时,热化学非平衡模型更为适用。     

突扩燃烧室湍流射流的相互作用及其对燃烧与混合的影响

本文应用κ－ε湍流模型和快速化学反应的守恒标量简化ＰＤＦ模型,对有中心射流和环状射流相互作用的突扩燃烧室内的湍流流动,混合与扩散燃烧进行了数值模拟。研究了环状射流与中心射流的速度比在较大范围内改变时突扩燃烧室内湍流回流流场的变化,揭示了较大的射流速度比对突扩燃烧室内湍流混合与燃烧的强化作用。     

Estimation of Transverse Thermal Conductivity of Doubly-periodic Fiber Reinforced Composites

For steady-state heat conduction, a new variational functional for a unit cell of composites with periodic microstructures is constructed by considering the quasi-periodicity of the temperature field and in the periodicity of the heat flux fields. Then by combining with the eigenfunction expansion of complex potential which satisfies the fiber-matrix interface conditions, an eigenfunction expansion-variational method(EEVM) based on a unit cell is developed. The effective transverse thermal conductivities of doubly-periodic fiber reinforced composites are calculated, and the first-order approximation formula for the square and hexagonal arrays is presented, which is convenient for engineering application. The numerical results show a good convergency of the presented method, even though the fiber volume fraction is relatively high. Comparisons with the existing analytical and experimental results are made to demonstrate the accuracy and validity of the first-order approximation formula for the hexagonal array.     

二氧化硅/双马来酰亚胺半固化片流变特性及其制备的覆铜板性能

研究经偶联剂KH550,KH560及KH570表面处理后的二氧化硅对双马来酰亚胺树脂体系流变特性的影响,通过DMA,TMA及TGA等测试手段表征所制备覆铜板的刚性、热膨胀系数及热稳定性。结果表明:采用KH560表面处理的二氧化硅/双马来酰亚胺树脂体系,较表面处理剂为KH550、KH570及未表面处理的二氧化硅/双马来酰亚胺树脂体系具有更好的流变特性和更低的熔融黏度;在树脂体系中引入二氧化硅,可以有效地提高覆铜板基材的综合性能,与未添加二氧化硅相比,具有更高的存储模量和更低的热膨胀系数;当二氧化硅质量分数为50%时,50℃时基材存储模量提高了83%,玻璃化转变温度以下的热膨胀系数α1降低了153%。