飞行器水载荷结构完整性数值模拟现状与展望-Part I:水上迫降和水上漂浮

现代飞行器面临水上迫降、水上漂浮、贮箱晃动和投汲水等复杂水载荷的结构完整性和乘员安全性分析问题日趋重要,随着科学技术的发展,数值模拟已经成为飞行器设计、分析和适航取证的重要手段。以固定翼飞机、水陆两栖飞机、直升机、火箭和卫星等现代航空航天飞行器为对象,围绕适用于飞行器水载荷分析的数值模拟方法进行综述,根据外流（水上迫降和水上漂浮）和内流（贮箱晃动和投汲水）的不同将综述内容分为Part I和Part II两部分。Part I的主要工作为：首先,归纳水上迫降和水上漂浮的事故和试验,总结水气两相流和流固耦合算法的发展现状和优缺点;随后,结合工程实际,介绍飞行器水上迫降和水上漂浮的范畴、水载荷分析要点、适用的数值模拟方法和软件的国内外发展情况,其中,水上迫降的总结包括飞行参数、波浪水面和弹性体对迫降性能的影响研究,水上漂浮的总结涵盖了飞行器构型参数、破舱和波浪对漂浮性能的影响研究;最后,指出复杂风浪情况下水上迫降和漂浮的水气固三相耦合工程应用难点和解决途径,并探讨飞行器水载荷数值分析的技术挑战和未来的发展方向。     

转子叶片缘板阻尼结构设计方法

根据工程应用需求,从工程设计人员角度出发,阐明了结构设计参数、接触参数和动力学参数之间的相互影响关系。进一步建立了缘板阻尼结构的设计流程和优化方法,并给出了结构设计合理性的评估参数。某薄片式缘板阻尼结构的优化结果表明:通过优化缘板阻尼结构截面形状,可改善接触面应力的均匀程度,提高实际有效接触面积,实现在多个停留转速工况下更好的贴合状态,从而起到更好的振动抑制效果。      

民用航空发动机水洗效果量化评价方法

为了掌握水洗对民用航空发动机性能的改善效果,实现从定时水洗向视情水洗的转变,并为航空公司评估节能减排工作成效提供支持,提出一种发动机水洗效果量化评价方法。该方法选择延长在翼时间和节省燃油量作为评价发动机水洗效果的两个主要指标,给出评价指标的计算方法;建立基于成本的发动机水洗效果评价模型,基于该模型对水洗效果进行评价;采用某台水洗后发动机的实际数据对所提出的方法进行验证。最后,基于所提方法开发发动机水洗管理系统。结果表明:所提方法能够实现发动机水洗效果的定量评价,为视情水洗的实现和航空公司评估节能减排工作成效提供支持。     

温度对耗氧型惰化系统产水性能影响

以油箱出口气体的摩尔流量为基准,推导了流经催化反应器、冷却器前后各气体组分的摩尔流量关系,建立了耗氧型惰化系统的数学模型。研究了环境温度对系统中“水”性能的影响。结果表明:随着惰化的进行,油箱上部水蒸气占比逐渐增加,而冷却气体量、反应器出口相对湿度及中除水量逐渐降低;液态水析出对冷却气体量影响巨大,不能忽略;另外,系统中水的生成与析出与环境温度相关,且环境温度越低,油箱水蒸气体积分数上升越慢,但系统需要的冷却空气量越多且析出的液态水量越大,如环境温度为0 ℃时,冷却器中所需冷却气体量分别约为20、40 ℃时的111倍、126倍。因此在设计耗氧型惰化系统时,应充分考虑温度变化对水的生成与析出的影响。     

镁基水冲压发动机三维两相反应流场研究

建立了镁基金属燃料/水冲压发动机三维两相反应流动模型,提出了采用燃烧效率修正一次燃烧温度的方法,对某试验发动机理想和实际工作状态进行了数值模拟,得到了发动机内流场分布趋势,并对计算与试验结果进行了对比,分析了产生误差的原因。结果表明修正燃烧温度后模型更能反映发动机实际工作状态及内流场分布,雾化效果和发动机热损失是影响发动机性能的重要因素,实际工作过程中由于存在凝相金属镁使计算燃烧效率大于试验燃烧效率。     

带帽单桩力学性状研究

基于弹性理论和假定荷载传递函数形式。对带帽单桩桩土相互作用进行线性分析。根据文献的思路和方法。推导出沉降、竖向应力、侧摩阻力等与荷载水平、深度之间的控制微分方程。采用微分方程的近似解法,得到了相应的解析表达式。直接利用试桩成果的桩顶荷载沉降笑系作为已知条件进行求解,所得结果能够反映带帽单桩桩土相互作用力学性状的一般规律。     

钝头战术导弹大攻角流动特性数值模拟

对具有钝头和小展径比外形特点的战术导弹进行了大攻角流动数值模拟与分析.着重分析了大攻角下弹体轴向各横截面上的压力分布、导弹背部和弹翼表面的气流分离形态及其随攻角的变化.通过模拟发现了钝头弹大攻角分离的一些重要特点,例如,与常见的尖锥体导弹背部的非对称分离涡不同,钝头导弹背部的分离涡是对称的;在弹翼以前不存在纵向分离,只有横向分离;分离区随着攻角的增加而扩大,但分离区起点的位置却基本上不变等.这些结果为这类导弹的设计提供了重要依据.     

双股互击式喷嘴凝胶水雾化特性试验

采用激光全息技术,研究了双股互击式喷嘴的撞击角、射流速度、射流初始状态和在液流中预混入气体对凝胶水雾化性能的影响,并与水进行了对比。研究表明:相同条件下,与水相比,凝胶水难以雾化;增加喷嘴撞击角和射流速度有利于凝胶水的雾化;表面粗糙孔喷嘴和液流中预混入气体有助于凝胶水的雾化。     

复合材料热气防冰系统试验研究

为了进行复合材料热气防冰性能的研究,结合冲击射流和微通道强化换热,针对复合材料导向叶片提出了一种热气防冰系统。对给出的复合材料热气防冰系统进行了简易的冰风洞试验,在同一气流速度、防冰热气流量、平均水滴有效直径条件下,对不同防冰热气温度、外流冷气温度和液态水含量状态下的蒙皮外表面温度进行了测量。结果表明：给出的复合材料热气防冰系统性能正常,能够满足防冰要求;比较了液态水含量、防冰热气温度和冷气温度对蒙皮外表面温度的影响,说明在本实验范围内液态水含量是影响蒙皮外表面温度的最大因素。     

来流速度对防冰表面溢流水流动换热的影响

为研究来流速度对防冰表面溢流水流动形态及换热的影响,基于空气-水两层相互作用的质量、动量和能量守恒,建立防冰表面溢流水水膜流动换热及破裂的数学模型,分析了防冰表面溢流水在不同来流条件下的流动形态和表面换热情况.计算分析表明:来流速度增加时,防冰表面相同位置处的连续水膜厚度减小,水膜破裂位置随之延后;较高来流速度条件下,破裂处水膜厚度稍有增加,使得破裂后形成的溪流厚度和宽度增大;作为主要的表面散热项,连续水膜表面蒸发及对流换热热流均随来流速度的增加而增大.此外,由水膜破裂引起的表面溢流水流态变化对防冰表面蒸发热流有一定影响.