超高压隔膜压缩机工作过程瞬态仿真及膜片应力分析

为提高超高压隔膜压缩机膜片寿命,结合压缩机热力过程、固支圆板变形以及曲柄连杆运动等基本方程,建立了隔膜压缩机气体-膜片-液压油耦合瞬态仿真模型,并基于仿真瞬态油压和气压,采用数值模拟方法,研究了排气压力达到200 MPa级和45 MPa时膜片的应力分布,分析了膜腔型线对膜片应力与寿命的影响。研究结果表明:膜片变形减小,其沿厚度方向的应力梯度随之降低;当排气压力达200 MPa级时,即使膜片接近水平位置,仍然处于受压状态,压应力达100 MPa,且膜片紧贴膜腔壁面时的最大径向应力低于基于自由变形理论的计算结果;当膜腔型线、膜片半径与厚度不变时,排气压力200 MPa级工况下的膜片径向应力相比45 MPa工况减小97 MPa;超高压下油压和气压对膜片挤压产生的压应力不可忽略,且排气压力越高,压应力越大;超高压下膜片气侧边缘位置应力幅最大,可通过增大型线挠度降低边缘径向应力及应力幅,提高膜片寿命。研究结果可为超高压隔膜压缩机膜腔型线设计提供参考。

真实气体效应和热化学反应对激波风洞流场特征参数的影响研究

真实气体效应会改变气体热物性,热化学反应则会影响激波波后状态,两者将共同影响激波风洞流场特征参数。利用真实气体状态方程和热化学平衡假设,建立了一套真实气体热物性和波后参数快速计算方法,研究了真实气体热物性参数的变化及热化学反应对波后参数的影响。通过考虑真实气体和热化学非平衡效应的准一维计算方法,结合气动理论分析,研究了真实气体效应和热化学反应对风洞流场时空结构和驻室参数的影响。结果表明,真实气体的声速、焓以及熵等参数与理想气体存在显著差异,且偏差随着压强的增加而增大。热化学反应使得激波波后气体温度和压强分别低于和高于定比热比假设的结果,且波后状态接近热化学平衡。真实气体效应则使得膨胀波波头传播速度增加及入射激波马赫数减小,影响风洞流场的时空结构,并可能导致有效实验时间减小。

基于ANSYS Workbench的超高压隔膜压缩机缸盖可靠性分析

缸盖是保证超高压隔膜式压缩机安全稳定运行的核心部件。根据压缩机的工作条件,对超高压隔膜压缩机缸盖进行受力分析,建立有限元模型,并利用有限元分析软件ANSYS Workbench对缸盖进行应力分析,获得了缸盖在最恶劣工况下的受力情况,分析了应力对缸盖结构安全可靠性的影响机制,对其强度进行校核。结果表明:缸盖平均Mises应力174.49 MPa,屈服安全系数高于1.9,缸盖强度满足设计要求。

超高压隔膜压缩机随动阀工作特性研究

随动阀是保证隔膜式压缩机安全稳定运行的核心部件。基于计算流体力学分析了250MPa隔膜压缩机用超高压随动阀的流场、压力场分布规律,并研究了随动阀内液压油的流动特性以及流量特性。结果表明,随动阀内膜片中心及靠近排油入口附近的液压油压力梯度大,易使膜片产生受力不均。超高压随动阀具备快开流量特性,其压力-流量曲线呈非线性,排油压力升高,流量增加越多。考虑液压油的可压缩性,流过随动阀的出口流量会比不考虑可压缩性减少。

激光刻蚀半球型铂电阻的定位研究

为了在半圆周上准确进行激光刻蚀,以刻制热流传感器的半球形铂电阻,满足热流测点的精确定位,采用了一种基于视觉成像系统定位加工点的方法,进行了理论分析和实验验证,取得了铂电阻较高的定位数据。该方法首先通过背光照明使半球边缘轮廓清晰可见,通过提取边缘上的4个点坐标,计算并定位到半球顶点;旋转平台,补偿偏差值,实现精确定位加工点;最后对成型的半球形热流传感器电阻位置进行测量验证。结果表明,该方法具有良好的定位效果,刻蚀制作的球半径相对误差约为0.39%,载物平台旋转角度相对误差控制在3.9%,解决了定位半球顶点问题,提高了刻蚀精度。这一结果对于利用激光刻蚀机在曲面模型上刻蚀形成铂电阻是有帮助的。

温敏漆技术及其在边界层转捩测量中的应用

边界层转捩测量的需求发展了激波风洞温敏漆技术,并在中国空气动力研究与发展中心(CARDC)0.6m激波风洞上,开展了平板模型高超声速边界层转捩试验测量。试验来流名义马赫数分别为8、10,单位雷诺数分别为2.45×107、4.48×106/m,模型偏航角为20°。温敏漆技术测量结果与薄膜热流传感器测量结果在边界层转捩位置及热流大小方面吻合较好。试验结果表明温敏漆技术具备简单模型激波风洞高超声速边界层转捩定性、定量测量试验能力。

CARDC激波风洞TSP技术研究进展

从基本原理、关键技术和验证应用三个方面总结了近两年在中国空气动力研究与发展中心激波风洞中开展的温敏涂层(TSP)技术相关研究工作。通过解决快速响应温敏发光材料研制、模型研制、数据处理等一系列关键技术,完成图像采集系统、光学系统及标定系统的配套和系统集成,建立了一套适于激波风洞试验的高速TSP测量及标定系统。该技术可在激波风洞试验中获取模型被测面温敏涂层的发光图像,基于该图像可以直接观察模型表面热流分布和捕捉峰值热流的准确位置。结合温敏发光材料的物性参数标定数据,能够实现对模型表面热流的定量测量。不同于传统的传感器点热流测量技术只能得到模型表面有限数量的离散点的热流值,TSP技术能够以高空间分辨率得到较大面积区域的详细热流分布信息,可更加全面的测量模型外表面的热环境,并且可以据此进一步分析和辨别边界层流态以及确定边界层转捩位置。试验对比表明,TSP技术的测量结果与点热流传感器的测量结果具有良好的一致性。目前该技术已趋于成熟,在Φ2m和Φ0.6m激波风洞上成功应用于边界层转捩研究、局部干扰区热环境研究和复杂外形飞行器热环境研究等领域,已成为激波风洞除点测热技术之外又一重要测热技术。

激波风洞温敏热图技术初步试验研究

介绍了可用于激波风洞等高超声速脉冲设备复杂外形模型表面热流分布显示与测量的温敏热图技术。该技术利用温敏材料发光特性随温度变化的特点实现对模型表面的温度测量,进而分析获得其表面热流分布。由于有效运行时间一般只有10ms左右,在激波风洞中采用温敏热图技术在材料温敏响应、图像采集等方面均存在困难,导致此技术还很不成熟。介绍了近期在CARDC 0.6m激波风洞中开展温敏发光热图技术研究的情况,包括发光材料的研制、材料喷涂、图像处理及标定等方面的研究工作。验证试验采用了平板加钝舵模型,获得了与理论分析及传感器测量结果较一致的平板干扰区热图结果。热图与薄膜传感器测量数据差异大致在5%~25%之间。

镀层式同轴热电偶数据处理方法研究

同轴热电偶热流传感器进行热流测量是风洞试验热流测量的一种非常重要的手段。应用二维轴对称热传导理论,结合横向传热影响、表面温升对热流的耦合影响、流场建立初始阶段来流对传感器表面温升的影响等因素,为激波风洞同轴热电偶热流传感器的数据处理方法建立了两套方案,为进一步提高测热精度提供了技术途径。

薄膜电阻温度计原理性误差分析及数据处理方法研究

薄膜电阻温度计是高超声速测热试验中一种常用的传感器,多用于激波风洞中。改进薄膜电阻温度计测热数据的后处理方法,分析其原理性误差,提出修正方法,可以进一步提高热流测量精度,为防热设计提供可靠数据。应用三维热传导理论,考虑热流和温升的耦合影响,计算了气动加热条件下薄膜电阻温度计结构温升情况,得到了铂层内的温度分布规律,并与一维半无限简化理论得到的薄膜电阻温度计表层温度相互对比,得到了模型简化带来的原理性误差;建立了由表面温升计算表面热流的导热反问题计算方法,与经典的Cook-Felderman处理公式和热电模拟网络处理方法相互对比,提出了修正热流值的方法,为提高热流测量精度提供了一种可行的手段。

驻点热流测量试验技术研究

为了提高超声速脉冲风洞中球头驻点热流测量精度,对φ1 mm小型化同轴热电偶研制及薄膜热流传感器的耐冲刷性能进行研究.应用热传导反问题的计算分析方法,建立了分别针对薄膜热流传感器和同轴热电偶的数据处理方法.在2 m激波风洞上利用研制的5种不同类型及尺寸的传感器进行了球头驻点热流测量试验,将试验结果与F-R公式计算结果进行比较,并分析了传感器外形尺寸、热壁、传感器敏感元件、同轴热电偶膜厚等对试验结果的影响.结果表明:研制的小型化同轴热电偶响应时间满足测试要求;薄铂膜热流传感器重复性误差在8%以内.

耐冲刷薄膜铂电阻热流传感器研制

薄膜铂电阻热流传感器是激波风洞气动热环境试验的主要测量手段,其缺点是不耐冲刷、易损坏,影响风洞试验效率。为增强铂薄膜热流传感器的耐冲刷能力,以厚度0.06μm的铬薄膜作为底衬,既能增强铂薄膜在玻璃基体上的附着力,又不会影响铂薄膜的电阻温度系数,并覆盖厚度0.2μm的二氧化硅薄膜作为保护膜,制作了3层膜结构和两种两层膜结构的热流传感器样品。分析了铬膜及二氧化硅膜对热流传感器电阻温度系数的影响,对3层膜和单层膜热流传感器的一维传热过程进行对比仿真计算,证明二氧化硅膜不会对激波风洞热流测量结果带来明显的影响。通过开展热流传感器的对比验证试验,证明多层膜热流传感器热流测量结果的可靠性,其热流测量精度和耐冲刷能力都得到一定程度提升。

前向空腔的弓形激波特性研究

在FD-14A激波风洞中Ma=10流场对前向空腔构型开展试验研究,应用高速阴影技术捕捉弓形激波的平均位置及振荡幅值,利用压力传感器测量空腔底部的脉动压力。在现有无空腔钝头体激波脱体距离预测方法的基础上发展了前向空腔构型的激波脱体距离预测方法,结合国外的试验测量结果与Organ-pipe理论,验证了这种方法的有效性和适用性,且该方法对激波脱体距离的预测结果与FD-14A风洞试验结果一致。此外,基于这种方法讨论了空腔振荡频率预测方法存在的争议。最后,研究了Ma=10流场下球锥体-前向空腔构型的脱体激波振荡幅值与平均速度的规律。

卡尔斯潘公司高超声速脉冲设备建设历程分析

本文主要介绍分析了美国卡尔斯潘公司的系列高超声速脉冲设备建设历程。为了适应不同的研究目的,卡尔斯潘公司先后建造了6座激波风洞和2座膨胀管风洞等脉冲设备,它们分别为11×15英寸激波风洞、48英寸激波风洞、96英寸激波风洞、无名高焓激波风洞、LENSⅠ激波风洞、LENSⅡ激波风洞、LENS X膨胀管风洞以及LENS XX膨胀管风洞。不管是设备规模,还是试验模拟能力以及测试技术水平,这些脉冲设备基本上代表了同期世界最高水平,并在一定时间内依然处于世界领先地位。本文通过对卡尔斯潘公司的LENS系列脉冲设备建设历程进行分析,希望可以对我国脉冲设备建设和发展相应的测试技术等提供一些有益的借鉴和参考。

激波风洞红外测热试验技术研究

介绍了激波风洞上进行的红外测热试验,其主要目的是研究在激波风洞试验中能否应用高速高精度的红外热像仪对模型表面的温度变化进行测量;研究红外热图数据处理方法,以获得模型表面大面积热流分布.试验采用玻璃钢模型,利用最高帧频为750帧/s的红外热像仪进行了测试.结果表明,该热像仪能够有效地测量激波风洞运行过程中模型表面温度的实时变化,从而测得模型表面热流分布.

激波风洞侧向喷流干扰效应试验研究

为研究高速飞行器在高超声速来流条件下侧向喷流干扰效应,在CARDC-2m激波风洞上采用“先内流,后外流”的总体技术方案,完成了双锥模型在M6~M10,模拟高度20km^40km,有侧向喷流条件下的测压、测力试验研究,并采用高速流场显示方法进行了流场纹影照相。喷流模拟装置为路德维希管,冷喷流采用氮气,热喷流采用氢氧燃烧的高温气体,喷流有效时间不少于50ms。试验气流为激波风洞产生的高超声速氮气流,有效试验时间为4ms^20ms。试验研究获得了模型攻角在-10°~10°之间,不同的马赫数、高度和侧向喷流状态下的相关试验结果。本文给出了试验数据曲线和流场纹影照片,并对结果进行了初步分析和讨论。

高焓膨胀管风洞性能调试试验研究

为评估新建成的高焓膨胀管风洞的设备性能,开展了风洞调试试验.通过测量激波速度、静压及Pitot压力等流场参数,结合考虑高温热化学效应的理论计算方法,对设备在常规氦气驱动模式及自由活塞驱动模式、低焓到高焓的运行状态进行了调试与分析.调试试验表明风洞最高气流速度达到11.5 km/s,最高焓值达到71.7 MJ/kg,高焓流场有效试验时间可达到150μs以上,低焓流场有效试验时间最长达到1.1 ms,具备支持高温真实气体效应等超高速气动问题研究的试验模拟能力.

高马赫数小尺度缝隙倒角热流测量

围绕再入式飞行器表面分布式隔热瓦的气动加热问题,针对流动强干扰特征且测量难度较大的小曲率半径缝隙倒角区域,采用Φ0.3 mm量级一体化同轴热电偶开展高马赫数来流条件下的热流测量,研究了缝隙倒角曲率半径、隔热瓦间台阶高度差、缝隙宽度、边界层流态、马赫数等因素对热环境的影响,通过分析热流时域曲线得到了瞬态热流的振荡特征。结果表明:台阶会显著增大热流;边界层流态的差异会引起缝隙倒角热流分布的显著变化;较高马赫数下的热流时域波动特征更温和,热流更低;部分状态存在瞬态负热流现象。研究结果可为隔热瓦热防护设计和认识缝隙、台阶诱导的复杂流动机理提供参考。

机动弹头舵轴热环境分析

机动弹头舵轴热环境是高超声速飞行器热防护系统设计中需重点考虑的局部问题,舵轴缝隙中流动结构极其复杂,且舵轴局部热环境峰值相对于大面积区域要严重得多。针对高超声速机动弹头舵轴热环境问题,结合数值模拟方法和激波风洞试验,研究了舵轴热环境随迎角、舵偏角、马赫数和飞行高度等参数的变化规律。结果表明,对于十字布局的气动舵,大迎角时水平舵轴热环境最为严酷;在小迎角条件下,水平舵轴无量纲热流随舵偏角和马赫数逐渐上升,但在大迎角情况下,马赫数和舵偏对水平舵轴无量纲热流的影响较小。在此基础上,建立了适用于舵轴热流峰值预测的四参数插值拟合方法,可用于舵轴峰值热环境随飞行历程的快速预测。

基于脉冲加热法的薄膜热流传感器热物性参数测量技术研究

在激波风洞测热试验中,高精度的薄膜热流传感器热物性参数对于提高热流测量精度十分重要。利用积分球能收集反射光能、其反射光具有高均匀性的特性,提出了基于脉冲加热装置测量薄膜热流传感器表面、直接标定热物性参数的方法。基于该方法,搭建了用于测量薄膜热流传感器基底材料热物性参数的脉冲加热装置,并详细介绍了测量装置的系统组成和工作原理。该脉冲加热装置能够较好地模拟脉冲型风洞中薄膜热流传感器被加热的过程,可以精确标定热流值和薄膜热流传感器基底材料的热物性参数。研究结果表明:研制的脉冲加热测量装置具有操作便捷、试样制备简单和标定精度高等优点,其加热方式为瞬态加热,能较好地模拟传感器在脉冲型风洞中的使用环境,可以提高脉冲风洞中热流测量结果的精度。