气动力/热与结构多场耦合试验模型方案初步设计

以多渠道、多机制交叉耦合为热防护结构特点的新一代高超声速飞行器必须采用气动力/热与结构多场耦合计算方法进行研究。目前,国外已建立较完善的耦合分析系统并用于飞行器研制,国内的中国空气动力研究与发展中心(CARDC)也已自主研发了热环境/热响应耦合计算平台(FL-CAPTER)。为验证多场耦合计算平台所用方法的有效性和计算结果的准确性,设计并开展气动力/热与结构耦合的地面试验具有十分重要的意义。本文结合气动力/热与结构多场耦合试验设计需求,以现有材料和设备能力为依托,开展了试验风洞选取、模型尺寸估算、模型材料选择、模型气动设计与模型结构设计工作。初步研究表明,模型支撑结构附近迎风面局部高温热膨胀将有利于模型前体结构产生可观的整体变形量。本文以此设计了带压缩拐角的二级压缩面结构模型,通过短时间不锈钢模型验证试验和计算对比分析初步验证了模型设计的可行性,并以此为基础预测了高温合金模型的试验结果。为下一步开展高温合金长时间风洞试验奠定了技术基础。     

镍基高温合金DZ125激光再铸层化学研磨的实验研究

研究了镍基高温合金DZ125激光再铸层组织特征、电化学腐蚀行为,并分析了再铸层化学研磨的优化条件,测试了研磨后基体的热疲劳性能。研究发现,DZ125合金激光再铸层主要为枝晶结构,且强化相γ′相析出较少,激光再铸层的耐腐蚀性能明显弱于DZ125合金基体。化学研磨溶液保温在60℃以上、浓度在90%以上时,再铸层的化学研磨高效可靠,研磨后基体表面光滑,无明显腐蚀发生,且基体的热疲劳性能得到明显改善。     

基于立体视觉的大型客机障碍物探测

为了提高大型客机在低能见度天气下场面滑行时的安全性,提出了一种采用热成像仪进行障碍物探测和识别的系统。对客机前方景物进行热成像,用改进的机器立体视觉算法计算目标距离,使用模糊逻辑融合位置信息识别障碍物。实验表明提出的系统能探测和识别场面上的主要障碍物。     

启动过程对大膨胀比喷管外压失稳的影响研究

针对上面级发动机大膨胀比喷管高模试车时发生的外压失稳现象,进行了高模试车时的稳定工作和启动过程数值仿真和实验研究。结果表明:对于室压4.5MPa,环境压力87k Pa,喷管面积比70的上面级发动机,稳定工作时,喷管承受的是内压载荷,不会发生外压失稳;不预抽真空启动时,喷管内的流场建立过程所需的时间很短约0.4s,而试验舱的压力只能依靠发动机的引射而降低,从0.4s开始喷管承受较大的外压载荷,直至10s左右试验舱的压力低于喷管内壁压力,在较长时间内喷管一直承受外压载荷,很容易发生外压失稳;预抽真空启动时喷管在0.14s到0.42s时间段承受外压载荷,且只在0.14s到0.25s内承受的外压载荷较大,喷管承受外压载荷的时间很短,不会发生外压失稳;启动前抽真空是避免喷管发生外压失稳的一种有效手段。     

热变形对TC4氩弧拼焊板拉伸与疲劳性能的影响

在700℃下,对TC4氩弧拼焊板进行了3个变形量(主应变0.5％、1.6％、2.7％)的等双向拉伸成形,研究了热变形对TC4氩弧拼焊板单向拉伸性能和疲劳寿命的影响.结果表明:等双拉变形前后,TC4氩弧拼焊板拉伸试样均断裂在焊接热影响区,热影响区的强度低于母材和焊缝.随着等双拉热变形量增加,TC4拼焊板试样疲劳寿命有所增加,这是因为一定变形量的热成形释放了焊接残余应力.     

氧化层非均匀增长对热障涂层应力分布的影响

利用扫描电镜对不同氧化程度的热障涂层(TBCs)进行观察,分析发现热生长氧化层(TGO)各部位并非均匀增长。假设热生长氧化层的形状为正弦曲线,用统计方法处理扫描电镜图片可以得到热生长氧化层的基本几何参数。由此建立单波形二维轴对称有限元模型,计算并分析了非均匀增长模型的应力状况。结果表明:相同温度下,非均匀增长模型的轴向、剪切和Mises应力分量的变化趋势与均匀增长模型的对应趋势一致;但是非均匀增长模型的各个应力分量最大值均小于均匀增长模型的应力分量最大值。      

平流层电动机控制器热特性仿真分析和实验

为得到某电动机控制器在平流层低温低气压环境下工作时的热特性,开展了基于软件Icepak的热仿真分析,并通过地面环境模拟实验和平流层飞行实验对仿真模型进行了验证,仿真结果与实验结果基本吻合。结果表明:控制器的热设计可以满足保温和散热要求;在平流层低气压条件下,内部风扇可有效地保持控制器内部温度的均衡;平流层高度的太阳辐射对控制器内部温度分布有较大影响,在进行热设计时应予以考虑。研究结果为平流层电动机控制器的工程应用提供重要的参考依据。      

热冲击后气膜冷却叶片结构强度流固热耦合仿真

研究了冷气流量对气孔周围热应力的影响,为气膜冷却叶片可靠性设计提供参考。改变气孔的孔径,并建立有限元模型,结合有限元/边界元理论,通过流固热三场耦合技术获得热冲击后的叶片最大温度、温度不均衡程度及最大热应力。研究表明:增加冷气量有利于改善叶片冷却效率降低叶片温度,但也会使叶片温度不均衡程度增加,加剧尾缘气孔内的热应力载荷;增加前缘气孔直径可提升66%的平均冷却效率,有利于减缓气孔内的热应力,增加尾缘气孔的直径对冷却效率及热应力的影响均较小。此外,数值计算结果与试验及解析解较为吻合,对于气膜冷却叶片结构设计具有参考价值。      

非轴对称端壁设计的高负荷涡轮气热性能研究进展

非轴对称端壁设计因能够有效地减少涡轮叶栅的二次流损失和提高气动性能而在高负荷涡轮设计中得到应用。简要回顾了涡轮叶栅二次流模型和非轴对称端壁造型方法,重点综述了非轴对称端壁设计的高负荷涡轮气动性能研究进展和抑制端壁二次流的作用机制,介绍了非轴对称端壁设计的高负荷涡轮端壁气热耦合作用的冷却特性研究进展,总结了高负荷涡轮非轴对称端壁设计技术的应用成果,展望了非轴对称端壁设计在高负荷涡轮的高效气动和冷却布局应用方面需要深入研究的内容。     

局部催化特性差异对气动热环境影响的计算分析

高温气体非平衡效应及其壁面催化效应对高超声速飞行器气动热环境造成显著影响,是当前高超声速飞行器气动热环境预测和热防护设计的关键问题之一。考虑高温空气离解与电离等化学反应、气体分子热力学激发、流动中的非平衡效应和壁面催化效应,通过数值求解三维热化学非平衡Navier-Stokes方程和壁面处质量、能量平衡关系,完善了高温气体热化学非平衡流场有限催化气动热环境数值计算方法和计算程序,采用典型算例进行了考核验证。在此基础上,开展了不同条件下高超声速飞行器热化学非平衡流场气动热环境数值模拟,分析局部催化特性差异对气动热环境的影响。研究表明：所建立的高超声速飞行器热化学非平衡流场有限催化气动热环境数值计算方法及程序,其数值模拟结果与飞行试验、文献符合;局部催化特性差异会导致热流跳变,其热流跳变量与催化特性差异量、材料分布方式等有关;催化特性差异较大时,局部区域热流可能远远高于飞行器全表面完全催化的热流结果,此时将飞行器在全表面完全催化（FCW）和完全非催化（NCW）条件下的数值模拟结果作为实际飞行过程中表面热流的上、下限这一简化处理方式,是不可取的。