稀薄流航天器鼻锥迎风凹腔气动力和气动热性能研究

本文采用直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法,对高超声速稀薄流中航天器鼻锥迎风凹腔气动力与气动热性能进行了数值研究。得到了鼻锥外壁面、凹腔侧壁面以及凹腔底面的热流密度分布,分析了不同凹腔深宽比对鼻锥冷却效率以及凹腔腔体内气体参数的影响;以深宽比为1的凹腔为基准,研究了凹腔唇口钝化半径对航天器气动热与气动力的影响。数值结果表明,高超声速稀薄流中迎风凹腔能够降低鼻锥外壁面的热流密度;当凹腔深宽比达到1之后,凹腔侧壁面热流变化趋于一致,热流密度最低点的轴向位置不随深宽比改变,且凹腔底部热流很小;凹腔近底部气体均由稀薄流转化为连续流,腔内气体压力不断振荡;唇口钝化没有明显优势,虽然可以降低鼻锥峰值热流,但是会带来严重的气动力性能下降。     

临近空间环境下封闭方腔内耦合换热特性

以临近空间浮空器载荷舱为应用背景,对复杂热边界条件下含热源的三维封闭方腔内自然对流、表面辐射和导热的耦合问题进行了数值模拟。综合考虑对流换热、长波辐射、太阳辐射等因素的影响,建立了临近空间热环境模型。通过Fluent软件用户自定义函数（UDF）引入外部非定常的辐射-对流耦合热边界条件,对腔内换热特性的昼夜变化进行研究,并分析了腔壁厚度、发射率和导热系数对其的影响。数值结果表明,腔内平均温度昼夜变化很小,约为12.9 K,但温度场分布随太阳方位变化而变化;腔内对流换热较弱,同一时刻最大温差约为71.3 K;腔壁热阻和发射率增加会削弱自然对流的强度。      

压力传感器动态特性参数不确定度评定

压力传感器动态特性参数的不确定度是表征其动态测量性能的重要指标。提出了一种压力传感器动态特性参数的不确定度评定方法。首先,使用激波管动态校准系统产生阶跃压力信号激励压力传感器,得到传感器的输出信号;其次,采用基于经验模态分解（EMD）的传感器输出信号预处理方法,减小动态校准过程中噪声的影响;然后,根据传感器的输入输出信号,采用自适应最小二乘法建立压力传感器的数学模型,进而得到其时频域动态特性参数;最后,针对重复校准实验得到的动态特性参数序列的小样本特点,采用自助法计算参数的扩展不确定度和相对不确定度。采用激波管系统对压力传感器进行多次重复动态校准实验,计算时频域动态特性参数的不确定度,并与现有方法进行对比。实验结果表明:本文方法可以弥补贝塞尔法在处理小样本量数据中的不足,且与蒙特卡罗法的不确定度评定结果相对误差小于10%,说明本文方法可以有效地评定压力传感器动态特性参数的不确定度。分析时频域动态特性参数的相对不确定度得到传感器的工作频带和超调量受噪声的影响较大,为动态校准实验条件的改善提供了重要依据。      

液体推进燃料着火特性影响因子与活化能分析

采用反射激波管实验台,对液体推进燃料RP-3着火特性进行了实验研究,并分析了燃料的表观活化能。采用了最大OH-光谱斜率倒推法确定着火终点,判定得到了液体推进燃料的着火特性,并对不同燃料体积分数下的着火延迟进行了归一化处理。结果表明:推进燃料的表观活化能差异不大,约为154～171kJ/mol;对各参数影响因子进行分析,着火延迟时间与当量比成正比关系,与燃料体积分数和混合气压力成反比关系;与JP-10比较发现,着火特性数据受燃料体积分数、当量比的影响因子几乎相等。      

双U型管束模型换热器的流动和传热特性

为了研究双U型管束模型换热器的流动和传热性能,通过低速高温风洞的模型实验和Fluent-CFD数值计算,得到了换热器的管型和安装角对换热器压降和回热效率的影响规律。结果表明:在相同的双U型管管内气流平均流动速度下,椭圆管换热器的管内流动压降高于圆管换热器的,相对增加幅度在50%~60%之间;对于外部流动,换热器安装角度增大所诱导的外部流动压降显著增加,在换热器30°的安装角下,椭圆形管束的低阻流动型面得以充分体现,其外部流动压降较圆形管束换热器可以降低约50%;随着换热器安装角的增加,换热器回热效率具有明显的提高;相对换热器安装角,换热器管型对回热效率的影响较小,集气管的进气-出气方式对双U型管束换热器的回热效率具有较显著的影响。     

射流管伺服阀前置级压力特性

为分析射流管伺服阀射流管喷嘴高压射流区的特性,建立了射流管伺服阀前置级数学模型,得到了射流管偏移值、射流管喷嘴半径和接收孔半径对接收器压力分布、喷嘴出口流速及接收器的左右孔恢复压力的影响规律.流场分析发现射流管喷嘴的高速射流出口处容易产生旋涡,且存在环状负压效应.结果表明:高压射流状态下,射流管喷嘴半径增大,恢复压力增加;接收孔半径增大,恢复压力降低.接收孔半径与射流管喷嘴半径之比的最佳取值区间为[1.3,1.5].当射流管偏移值增大时,在偏移值增大一侧,射流管与接收孔之间的有效流体接收面积增大,射流管与接收孔之间的流体旋涡扩大,内部流场环状负压效应增加,接收孔恢复压力降低.      

超临界压力正十烷对流传热实验及计算研究

针对主动冷却超燃冲压发动机的实际工作条件,利用电加热管设备开展了超临界压力正十烷流动和传热特性实验,目的在于获得适用于发动机传热设计的燃料对流传热关联式。管子材料为不锈钢、内径1.5 mm、外径3.0mm、长度1300mm。采用K型热电偶测量管壁沿程外壁温。实验中正十烷压力约4.0~4.3MPa,温度约335~870K,流量分别为0.93、1.24和1.86g/s。正十烷的流动经历了层流、过渡和湍流3种流态。采用最小二乘法拟合实验数据,获得了正十烷在3种流态下的传热关联式。通过外壁温计算值与实验值的对比,验证了本文给出的传热关联式的适用性。     

铷频标物理系统的改进研究

物理系统是铷频标的核心部件,通过分析影响频率稳定度的因素,对物理系统内部结构进行了改进。改进后的物理系统采用分离滤光的三泡结构,增加了光学滤光技术,此外,物理系统还选用了磁控管微波腔。经测试,改进后的铷频标温度系数为9.7×10^-14/℃,频率稳定度约为1×10^-12/τ（1s≤τ≤10 000s）。     

轴向通流旋转盘腔内流动不稳定性研究

为了研究旋转腔内流动不稳定性问题,采用旋转坐标系稳态方程,用数值模拟的方法分析了轴向通流旋转盘腔内的流动,得到了旋转系下哥氏力和离心浮升力分别对流动不稳定的作用,以及这两个力的非线性综合作用对流动不稳定的影响.结果表明:哥氏力是恢复力,不影响流动稳定性;离心浮升力是造成流动不稳定的主要因素,盘腔内的流动是离心力场下的Rayleigh-Benard对流和强迫对流的混合流,随着浮升力的增强流动由稳态发展为非稳态;哥氏力与离心浮升力的综合作用加剧了流动不稳定性,盘腔内r-θ面出现了明显的旋向相反的对涡.