通用飞行器气动优化设计数字化集成平台——DIPasda

未来航空工业的发展,需要解决多学科综合设计的关键问题,为新型高性能飞行器的设计提供有力的设计方法和设计工具。DIPasda作为复杂外形设计的通用飞行器多学科优化设计平台,研制目的主要是提供一套新型通用、鲁棒、高效的优化设计架构,应用于通用飞行器工业设计环境,改善传统设计耗时低效的状况,提高新型飞行器设计的效率和精度。DIPasda平台系统包含了优化设计过程中所需用到的各类方法,主要包括数值优化算法、几何模型参数化方法、代理模型方法、高精度的学科分析工具等。通过详细介绍平台的系统架构、主要的功能模块、伴随优化设计和多目标优化设计流程,展现了DIPasda平台系统架构设计的灵活性和功能模块的完备性。最后通过优化算例展示了系统的综合优化设计能力。     

多欧拉域耦合法在平尾鸟撞中的应用

鸟撞是威胁航空安全的重要因素之一。目前的研究多是对单一试件或结构的一次性鸟撞,而对鸟体穿透撞击部位后,对其他结构造成二次冲击的研究较少。为了研究这种问题,基于流固耦合算法,建立了多欧拉域耦合的某直升机平尾全尺寸模型。在考虑空气影响的前提下,详细分析了鸟撞平尾过程、前缘和前梁的损伤形式、平尾的位移响应、鸟撞载荷规律以及冲击载荷对平尾根部结构的影响,并与试验结果进行了对比。研究表明：鸟体在穿透前缘时未发生解体,其对前梁的二次冲击载荷同样很高,平尾结构设计需要考虑鸟撞是否会造成平尾根部断裂,鸟撞载荷具有阶跃函数的特点;结构响应时间对比冲击载荷有明显的滞后效应。     

基于实测数据的航空发动机转子叶尖装配间隙预测

以多级转静子装配过程为研究对象,基于空间几何变换理论及形位公差理论,提出了一种多级转子叶尖间隙预测方法。具体是将转静子系统分为转子、静子、支承等3个子系统,分别针对子系统建立装配偏差子模型,进一步将各模型进行坐标统一,以配合面的实测偏差数据作为输入量,计算同一轴向位置处的转子叶尖坐标及机匣坐标,从而计算出转子叶尖间隙。试验结果表明,采用所述间隙预测模型,可准确预测转子叶尖间隙,预测最大相对误差为11%,从而为装配质量分析提供了参考依据。     

大型后掠自适应风力机叶片的气动扭角设计优化

针对大型后掠式自适应叶片(STB)中显著的气动/结构耦合现象,利用优化方法探讨了直叶片转化为后掠式自适应叶片后的气动扭角补偿优化,STB叶片没有不改变原直叶片的输出功率和结构强度。优化算法采用遗传算法,以功率为约束条件,扭角分布为优化变量,优化目标为叶片根部应力最小。建立了叶片的气动模型和六自由度铁摩辛科悬臂梁结构模型,叶片的气动特性分析采用了基于动量叶素理论的数值算法,结构特性分析采用有限元法,优化算法采用遗传算法。最后在额定风速条件下,完成了2.0MW叶片的气动扭角的补偿设计优化。分析结果表明,STB叶片通过扭角补偿后,可满足功率输出的要求,并大幅降低叶片的轴向推力。     

燃气涡轮盘/叶耦合系统振动特性分析

利用UG对两级涡轮轮盘/叶片进行三维实体建模,导入ANSYS构建其耦合振动分析的有限元模型,以静强度分析为基础,主要对比了有无温度场情况下,盘/叶耦合系统的振动特性差异,计算中考虑了温度场和离心载荷的影响,使计算结果更接近于实际情况,结果表明,温度不是影响涡轮盘/叶振动特性的主要因素。此外,从叶盘耦合谐振图可以看出,在工作转速下涡轮叶盘没有发生共振的危险;在起动时,只需快速的跨过一些共振区就能很好的避免耦合共振的情况发生,就振动设计而言,该型涡轮的设计是合理的。     

二维弹性扑翼沉浮运动流动特性的数值研究

采用非定常势流板块法和Euler-Bernoul1i梁振动微分方程,对后缘带弹性薄板的翼型在作沉浮运动时翼型绕流和薄板弹性振动之间的流-固耦合过程进行数值模拟,并计算流动特性、非定常气动载荷,尤其是沉浮运动的推力效应.用有限差分法求解薄板的弹性变形运动,气动弹性分析采用弱耦合迭代方式.通过对翼型非定常气动力(升力和推力)、推进效率、尾迹脱落涡计算结果的分析发现,通过调整弹性薄板的刚度,可以使得翼型产生最佳的非定常推力.     

缝隙-腔体密封结构在高速气流冲击下的整体流动、传热特性分析

 根据高马赫数流场特征参数变化快、固态场特征参数变化慢的特性,编制开发了针对高速气流的"半解耦"显式流固耦合近似计算程序,并通过数值方法分析了该方法的计算误差,分析结果显示其能够较准确地模拟高速流场与固态场长时间非稳态耦合问题.在此基础上,运用"半解耦"流固耦合方法数值模拟了高速气流横掠缝隙-腔体典型密封结构的非稳态过程,并与相关实验测试数据进行了对比,验证了程序可靠性.随后,进一步分析了气流侵入密封结构的主要特性,总结了密封结构内、外流场中气流温度、压力和速度的分布特征以及其随时间的变化规律,研究了密封结构中加热板气动热流随时间的变化规律,探讨了密封结构中固体温度场分布特征及其随时间积累的变化规律等.最终,计算结果说明了密封体的结构布局对其内部热状况的决定性影响.     

接触热阻对疏导式热防护结构防热效果的影响

采用内置高温热管的疏导式热防护结构是一种新型高效的热防护方式,热管与高温复合材料之间的接触热阻(TCR)对防热效果有重大的影响。首先给出了一种疏导式热防护结构的计算模型,进而采用间接耦合的方法建立了由接触热阻引起的热力耦合问题的计算格式,在此基础上对不同预留间隙条件下的热防护结构进行了热力耦合分析,重点考察了接触热阻对其防热效果的影响。研究结果表明,采用预留装配间隙的方法可以有效降低结构的应力水平,但同时使得界面接触热阻增加,从而使得结构驻点温度升高,因此在采用预留间隙设计时必须在考虑界面接触热阻的条件下从结构强度和温度两方面对结构进行安全性评估。     

喷雾仿真中的网格依赖性

基于离散油滴模型,比较了原始喷雾模型与修正喷雾模型的网格依赖性.计算结果表明:原始喷雾模型由于采用O'Rourke碰撞模型以及最近节点法耦合算法,使得预测结果出现明显的网格依赖性.相反,修正喷雾模型采用独立的拉格朗日碰撞单元降低碰撞过程的网格依赖性,联合使用拉格朗日插值算法以及气相射流模型降低气液耦合过程对于网格的依赖性.因此修正喷雾模型能获得较好的低网格依赖性从而保证粗大网格下的计算精度.      

Investigation on plume interference effect of solid propellant micro-thruster

The three-dimensional numerical simulation of two-phase plume flow of solid propellant micro-thrusters was developed. Then it was used to investigate the plume interference effect by combining the direct simulation Monte Carlo (DSMC) method for multi-component gas flow with the two-way coupling model for two-phase rarefied flow. At different space between the two micro-thrusters and different wall temperature,the plume interference effect was analyzed specifically. The results show that under the plume interference effect the gas is compressed and the flow direction is changed,which resulted in the increasing of gas pressure and temperature; solid phase made no significant effect on the flow parameters of gas phase; with the rising of the space between the two micro-thrusters,the maximum pressure decreased and the maximum temperature increased in the domain under the plume interference effect; the wall temperature could influence the temperature of the gas which is extremely close to the wall,but not the gas pressure.