不同物理性质无烟煤粉在乙烯/氧气氛围下爆轰波传播特性实验研究

粉末连续旋转爆轰发动机不仅具有爆轰循环热效率高的优势,还兼具粉末燃料体积热值高、流量可调等优点,然而发动机的工作特性会受到煤粉的物理性质影响。为了更好地研究不同物理性质煤粉对于爆轰波传播特性的影响,搭建一套定容燃烧弹,结合高能点火系统,在初始压力p 0=100 kPa下,研究多孔状5μm、多孔状40μm及片状5μm共3种无烟煤粉在不同当量比(0.7、1.0、1.3、1.5)下的爆轰波传播特性。研究结果表明:多孔状5μm无烟煤随着当量比的增加,爆轰波速度及压力持续增加,当量比为1.5时具有最大爆轰波传播速度及压力;多孔状40μm煤粉在0.7~1.3当量比下随当量比的增大,爆轰波速度持续增加,而后在当量比为1.5时由于过量的煤粉导致速度开始降低,但爆轰压力随着当量比的增加而增加;5μm多孔状煤粉爆轰波速度在相同当量比下优于40μm煤粉;片状5μm煤粉爆轰特性最差,在高当量比时会抑制爆轰。

基于瞬态多物理场求解器的电磁轨道炮发射过程建模与仿真

为研究电磁轨道炮发射过程中瞬态多物理场的作用机制与内在规律,建立包含电路、电磁场、热场和结构场的数学模型。模型中计入材料非线性、结构变形、接触碰撞等实际因素。采用隐式有限元格式求解电磁场和热场以及显式有限元格式求解结构场,利用载荷传递和时间同步实现各物理场之间的耦合,发展出一种瞬态多物理场求解器。通过固体电枢型电磁轨道炮、同步感应式电磁线圈炮等算例,讨论了发射过程计算结果的合理性。结果表明,电磁炮的发射是多场耦合、多部件相互作用下的一个复杂动力学过程,存在电流和磁场扩散、温升、应力传播、接触碰撞等瞬态现象,发射性能与结构、材料和激励密切相关。该求解器可为电磁发射系统及其关键部件提供一种辅助设计手段。

乙烯对煤粉-氧气爆轰波起爆特性影响机制的实验研究

为实现煤粉连续旋转爆轰发动机的可靠点火,开展乙烯对煤粉-氧气起爆特性的影响机制研究。在初始压力p 0=100 kPa下,采用高能电点火对有无0.5当量比乙烯氛围下的煤粉-氧气混合物开展直接起爆实验研究。点火能量通过测定在空气中高能电火花产生的爆炸波压强进行计算。计算后发现:采用6.3 J的有效点火能量,煤粉-氧气在不含乙烯的氛围下无法起爆;在此能量下,煤粉-氧气在0.5当量比的乙烯氛围条件下可实现直接起爆;将能量降低为3.6 J,使其低于乙烯-氧气(0.5当量比)混合物的临界起爆能量,虽然乙烯-氧气无法直接起爆,但是在加入煤粉后却可以形成稳定的自持爆轰波。研究结果表明:若要实现煤粉-氧气的直接起爆,则需要添加一定量的助爆气体(如乙烯);煤粉的加入还可以拓宽乙烯-氧气混合物的起爆极限。所得结果可以为煤粉连续旋转爆轰发动机的点火起爆提供理论依据并提供技术支撑。

喷管对水下爆轰气泡形态和压力特征影响的实验研究

针对具有不同类型喷管的爆轰管在水下爆轰中形成的燃气射流问题,搭建了爆轰实验平台,研究了单次爆轰过程中尾部喷管对水下气泡形态与压力特征的影响。采用数字粒子图像测速技术对高速摄影机拍摄得到的气泡脉动图片进行流场可视化分析,得到各喷管工况下的气泡速度场。为了确认爆轰管内是否形成稳定爆轰波,并观察爆轰波在气液两相界面上的透反射特性,爆轰管尾部安装有2个动态压力传感器,同时在距离喷管一定距离处设置一个水下爆炸传感器,以监测水中传播的压力波。结果表明:扩张喷管工况下的气泡脉动过程与直喷管工况基本一致,但扩张喷管提高了燃气射流速度,气泡膨胀体积更大;因为燃气射流的持续性,收敛喷管工况下的气泡脉动过程具有明显差异,气泡膨胀体积较小,但气泡二次脉动时长相较于一次脉动时长衰减更小;扩张喷管提高了气泡脉动强度,扩张喷管工况下的气泡脉动压力与透射冲击波压力远大于直喷管工况下的气泡脉动压力与透射冲击波压力;收敛喷管工况下的气泡脉动压力与透射冲击波压力都较小,但收敛喷管燃气射流的持续性减缓了气泡脉动压力的衰减速度。相比于直喷管,扩张喷管工况下的气泡脉动时间、气泡脉动压力与透射冲击波压力都更大。收敛喷管工况下的气泡脉动持续时间较短,并且收敛喷管对透射冲击波压力和气泡脉动压力均具有明显的抑制作用。

容弹内片状无烟煤粉喷射掺混特性实验研究

粉末在容弹以及发动机燃烧室内的掺混状态对粉末爆轰特性有较大的影响,因此亟须对粉末在有限空间内的喷射掺混特性展开研究。搭建了一套透明的容弹系统,通过高速摄影监测系统,对片状煤粉在容弹内的喷射掺混过程进行观测,并对高速摄影拍摄图片进行后处理,分析煤粉在容弹内的喷射掺混变化规律。针对煤粉喷射掺混图像建立了一种灰度值标准差曲率分析方法,研究发现标准差曲率趋于0的初始时刻为煤粉掺混均匀最佳时刻,可以选取为最佳点火时间点,且该方法所选取的时刻与逐帧分析高速摄影图像所选取的时刻吻合。在煤粉浓度为120 g/m^(3),210 g/m^(3),300 g/m^(3)下,依次展开煤粉喷射掺混实验,并应用此灰度图像标准差曲率分析方法进行分析。实验结果表明:保持煤粉浓度一致时,掺混均匀性最佳时间随喷粉时长的增长而逐渐缩短,点火时刻提前;保持喷粉时长一致时,掺混均匀性最佳时间随供粉浓度的增长而延长,点火时刻延后。

基于MPC和RBF神经网络的火箭弹姿态调整策略

火箭弹的精准飞行控制目前是国内外军事领域研究中的一个热点话题。针对火箭弹如何能够更好的打击实现精确打击这一问题,提出一种基于模型预测控制和径向基函数神经网络相结合的火箭弹姿态调整策略。该策略利用模型预测控制算法预测得到姿态调整所需的最优的电机修正值,然后利用径向基函数神经网络算法实现对电机的快速调节响应,以此达到调整姿态修正弹道的目的。仿真结果表明,舵控系统的调整过程误差小、反应快、跟踪效果良好,整体策略具有优良的控制性能。使火箭弹飞行姿态控制系统的鲁棒性和快速性得到了很大的提高。很好的将模型预测算法与径向基函数神经网络算法的优点结合到了一起。

基于弯型预爆管的煤油燃料旋转爆轰发动机起爆实验研究

为了研究采用弯型预爆管的预爆轰式连续旋转爆轰发动机点火起爆过程和旋转爆轰波的传播特性,设计了H 2/O 2弯型预爆轰管的预爆轰点火装置,进行了预爆轰点火实验,并研究了应用该预爆轰管的煤油/富氧空气旋转爆轰发动机的起爆特性。借助高频动态压力传感器和高速摄影,分别记录了实验过程中的压力信号与流场动态变化过程,分析了旋转爆轰波的起爆过程以及传播特性。实验结果表明:初始爆轰波在到达燃烧室入口后迅速膨胀解耦,形成两个沿相反方向传播的压力波,并且压力峰值迅速衰减;成功起爆后,爆轰波在燃烧室内以双波对撞模态自持传播,每一周期内双波发生对撞的位置不断变化;当煤油质量流量增加时,燃烧室内形成稳定旋转爆轰的时间间隔增加;在稳定工作范围内,提高当量比可以增加爆轰波的平均传播速度。该实验验证了将该弯型预爆管应用于煤油/富氧空气旋转爆轰发动机点火的可行性,进一步揭示了煤油/富氧空气旋转爆轰发动机的起爆过程。

燃烧室长度对液态燃料旋转爆轰发动机性能影响实验研究

为了研究燃烧室长度对液态燃料旋转爆轰发动机性能的影响,在环形阵列式连续旋转爆轰发动机上,以汽油/富氧空气为工质,详细分析了不同燃烧室长度下爆轰波传播模态、平均压力峰值和传播速度的变化特征。测量了发动机模型在不同燃烧室长度下的一维推力,分析了推力和燃料比冲的变化趋势。实验结果表明:出口背压为大气压时,空气流量为762.9g/s,氧气流量为182.4g/s,汽油流量为84.3g/s,当量比为0.82,燃烧室长度L=235mm工况下爆轰波为稳态双波对撞模态,平均压力峰值和传播速度分别为0.9MPa和1068m/s,爆轰波传播频率为2.223kHz。当L<235mm时爆轰波为非稳态双波对撞模态,平均压力峰值变化较小,传播速度随着燃烧室长度变短而降低。仅在L=135mm工况下,爆轰波传播速度略高于L=155mm工况点,推力和燃料比冲分别为579.5N和701.5s。当155mm≤L<235mm时推力和燃料比冲随燃烧室长度增加而缓慢增大,L=235mm时推力和燃料比冲分别为607.3N和735.1s,L>235mm时推力和燃料比冲变化趋于平缓。

电磁轨道炮三维瞬态涡流场的有限元建模与仿真

本文分析了固体电枢电磁轨道炮的三维瞬态涡流问题,建立了运动坐标下的磁扩散公式,该公式基于准稳态麦克斯韦方程组,用矢量磁位和标量电位作为未知量。在运动坐标下计算含有运动导体的磁扩散问题,可以消除高速情况下的数值不稳定,减少计算量和内存需求。通过施加库仑规范,保证了方程解的唯一性。本文以方膛电磁轨道炮为例,用有限元法和后向差分格式对方程组进行了求解,得到了轨道炮中电流密度的分布,以及电流和电枢速度的变化过程。

电磁轨道炮瞬态磁场测量与数值模拟

为研究电磁轨道炮的磁场特性,建立三维瞬态电磁场计算模型,采用时域有限元/边界元耦合方法进行求解,获得了电枢的膛内运动过程,以及电流密度和磁通密度的时空分布,讨论电枢与轨道间的滑动电接触在电流扩散过程中产生的速度趋肤效应。在发射实验中,用B探针测量电枢运动及磁场,分析了发射过程中的瞬态磁场变化特点,与数值模拟结果进行对比,验证了电磁轨道炮三维瞬态电磁场计算模型的有效性。

有限元/边界元耦合法计算电磁轨道炮三维瞬态涡流场

针对电磁轨道炮电磁场计算中的无穷远边界问题,该文提出用时域有限元/边界元耦合算法进行电磁轨道炮的三维瞬态涡流场的数值模拟。涡流场的控制方程由矢量磁位和标量电位描述,用有限元法求解满足磁扩散方程的含有导轨与电枢的导体区域,用边界元法求解满足拉普拉斯方程的导体以外的区域。耦合边界直接划分在导体表面,不需对边界作特殊处理。该方法消除了对导体周围的空气区域的网格剖分,缩小了计算规模,是一种处理电磁轨道炮电磁场问题的有效方法。

液态燃料喷注压力对旋转爆轰波影响的实验研究

为了深入研究液态燃料旋转爆轰波传播特性,以汽油为燃料,富氧空气为氧化剂,开展了液态燃料喷注压力对旋转爆轰波传播特性影响的实验研究。使用马尔文粒度仪对不同喷注压力下的雾化流场进行测量,结果表明:在喷嘴出口各平面上的液滴粒径均满足正态分布;且随着喷注压力的增大,液滴雾化细度不断改善,在距离喷嘴出口60mm处二次雾化基本完成。在汽油质量流率为96g/s,当量比为1.3工况下,旋转爆轰波以单波模态传播,传播频率为2494Hz,平均传播速度为1198m/s。液态燃料的喷注压力对旋转爆轰波的传播特性具有较大的影响,当喷注压力为0.6MPa时,由于液滴的雾化粒径较大,无法形成旋转爆轰波。随着喷注压力的增大,液滴雾化细度得到改善,旋转爆轰波可以成功起爆并稳定自持传播,传播速度和平均压力均逐渐增大,传播稳定性也得到改善。

中心杆式等离子体发生器瞬态时变模型分析

中心杆式等离子体发生器(DRPG)为开口系统,建立了考虑膛内气相回流进入DRPG的瞬态时变模型来仿真DRPG工作过程。通过对比电流、电阻曲线,验证了模型的精确性。由瞬态时变模型仿真得到DRPG中等离子体温度、速度、密度和压力。根据DRPG中等离子体参数的变化,可将电爆炸后DRPG工作过程简化为稳定输出和振荡输出两个阶段。电爆炸后,DRPG处于稳定输出阶段,等离子体流入膛内;在振荡输出阶段,随着膛内压力的增加,存在等离子体流出DRPG或膛内气相回流进入DRPG的现象。回流入DRPG的气相与等离子体混合,使得等离子体温度下降,等离子体密度增加,DRPG等效电阻上升。

多管PDE爆轰噪声传播过程物理特性实验研究

为研究多管脉冲爆轰发动机爆轰噪声传播过程及声波物理特性,对单管至四管脉冲爆轰发动机爆轰噪声物理特性开展实验研究,获得了多管脉冲爆轰发动机爆轰噪声的波形、声压衰减规律、辐射特性、持续时间和频谱特性等物理参数。结果表明:在管口区域,爆轰噪声峰值衰减较快,在远离管口区域,衰减速率逐渐放缓。随着爆轰管数量的增加,爆轰峰值噪声在各方位角上的声压级逐渐增大。在远场区域内爆轰噪声指向性图呈"M"形。随着爆轰管数量的增加,爆轰噪声的A/B持续时间均增加。爆轰噪声是能量主要集中在中低频段的宽频噪声,其频谱峰值和峰值所在频点随爆轰管数量的增加而改变。

叶片受不同软体外物撞击的瞬态响应分析

发动机叶片常遭受外物的撞击损伤,不同材料的外物撞击损伤存在着差别。采用弹性应力波的传播和基本流体动力学的原理分析超弹性软体和塑性软体外物撞击叶片时的撞击载荷模型。通过在LS-DYNA中就超弹性软体(以橡胶为例)和塑性软体(以明胶为例)外物对叶片的撞击过程进行数值仿真分析。结果表明:在相同的初始撞击能量、相同的撞击速度及相同的撞击入射角度下,橡胶撞击叶片时的撞击接触力幅值较大,但持续时间较明胶撞击时的要短,叶片中的等效应力水平比明胶撞击时的高,故更容易使叶片产生损伤;随着初始撞击速度的增加,橡胶发生碎裂,某些撞击特性与明胶的趋于相近。

含铝凝胶燃料脉冲爆轰发动机工作过程瞬态特性

为了解含铝凝胶燃料脉冲爆轰发动机工作过程的瞬态机理,建立了含铝凝胶燃料脉冲爆轰发动机数学物理模型。采用守恒元与求解元数值计算方法,对单循环含铝凝胶燃料脉冲爆轰发动机流场进行了数值仿真,分析了其爆轰反应过程与冲量产生过程的瞬态特征。计算结果表明,爆轰波作用下,凝胶燃料液滴变化以剥离破碎为主,燃料液滴中铝颗粒随液滴剥离弥散于爆轰管内并参与反应,累积在最后阶段反应的铝颗粒较少。凝胶燃料爆轰燃气排放过程可划分为爆轰附着膨胀、燃气"壅塞"膨胀和膨胀减弱等3个典型特征阶段。研究结果对凝胶燃料脉冲爆轰发动机的应用研究具有参考意义。

CE/SE方法在内弹道瞬态两相流中的应用

根据CE/SE方法思想,构造在变换坐标系下内弹道两相流动数值计算的格式.采用此格式研究了膛内瞬态二维两相流动点火过程.数值计算结果反映实际规律并和试验结果符合.结果表明,对中心点火方式,在点传火过程初期,膛内压力在径向和轴向上存在较大的压力梯度,当火药全部着火后,药室内压力在径向上逐渐趋于一致.这表明CE/SE方法能够完全模拟瞬态二维两相流动的情况.

高速运动弹丸诱导的瞬态流场数值研究

采用基于任意拉格朗日欧拉(ALE)方程的动网格及嵌入网格法,结合二阶精度Roe格式和沉浸边界法,对弹丸由高压气体驱动从静止状态加速至超声速,射出膛口到完全飞离初始流场的整个过程进行了数值模拟.根据数值结果,详细讨论了初始流场、火药燃气流场的形成与发展以及与弹丸的耦合和相互作用过程.

基于不变扩展卡尔曼滤波的无人机姿态估计

为解决四旋翼无人机姿态估计问题,提出了一种不变扩展卡尔曼滤波(Invariant Extended Kalman Filter, InEKF)算法,用于同时估计四旋翼的姿态和惯性测量单元(Inertial Measurement Unit, IMU)的陀螺仪偏差。利用李群理论和不变观测器设计方法,将算法表述为一个连续时间随机非线性滤波器,其状态空间由直积矩阵李群SO(3)×R^(3)给出,SO(3)中的估计值由IMU对重力矢量和地球磁场向量测量值加以修正。为在无人机上实现该算法,将状态和协方差传播方程离散化。最后,所提滤波算法相对于现有算法的性能优势通过仿真实验得到了验证。

推进剂质量流量对三维非预混氢氧旋转爆轰波传播模态的影响

为研究非预混喷注结构下的氢氧旋转爆轰波传播模态,通过采用9组分21步的基元化学反应模型,使用密度基求解器求解三维带化学反应的多组分气体Euler方程,对小孔-环缝喷注结构的氢氧旋转爆轰发动机燃烧室进行了三维数值模拟,探究了推进剂总质量流量对燃烧室内爆轰波的传播特性及模态转变的影响。结果表明:爆轰波向喉道方向传播的过程中,在燃烧室扩张段会发生弯折并形成反射激波。随着推进剂总质量流量增加,除了会形成单波、双波同向、四波同向等稳定传播模态,还会形成多波对撞等不稳定传播模态,这是由于燃烧室内多次局部再起爆造成的,在该模态下旋转爆轰波的稳定性最低。推进剂流量的增加导致爆轰波数增加,同时爆轰波强度下降使得速度亏损增加。爆轰波数相同时,推进剂流量的增加会导致爆轰波向燃烧室入口倾斜,使爆轰波沿圆周方向上的速度分量减小,同样会引起速度亏损增加。研究结果对于阐明氢氧旋转爆轰波传播机制具有重要的理论意义。