面向航天领域应用的分布式光纤传感技术研究(特邀)

基于光纤传感网络的测量技术具备多测点、快速测量、抗电磁干扰及本征安全等优势,在航空航天、电力和土木等领域有广泛的应用前景。回顾了航天领域光纤传感技术的应用进展,围绕飞行器应用的光纤传感关键技术,着重分析了光纤传感器设计与制备和分布式光纤调制解调技术,以集成高密度弱反射光纤光栅传感器的热防护材料为监测对象,搭建光频域反射系统,获取了单面加热情况下热防护材料毫米级空间分辨率温度分布信息,并给出了高空间分辨率分布式光纤传感系统在航天领域应用的发展建议。

基于光频域反射仪的应变实时监测系统(特邀)

在分布式光纤传感技术中,光频域反射仪(optical frequency-domain reflectometry,OFDR)凭借高空间分辨率及高灵敏度等特点,在测量应力和温度等物理量测量方面有很大优势。结合弱反射光纤光栅阵列搭建了一套OFDR分布式传感系统,并使用可视化编程平台实现了数据的采集和处理,最终能够实时显示弱反射光纤光栅阵列中任一点的应变或温度测量结果。实验结果显示,所搭建的分布式传感系统具备0.08 mm空间分辨率,6.9με的应变测量精度,1 Hz应变测量刷新率的测量能力,具备分布式动态应变实时监测的能力。在石油化工和航空航天等需要高空间分辨率和实时动态应变感知能力的领域,所研制的分布式光纤应变传感系统将拥有广阔的应用前景。

层板冷却特性的实验与数值模拟研究

在大尺寸低速回流式风洞内对一种应用于涡轮叶片的典型的层板结构进行了流阻特性和冷却特性的实验研究,获取了该层板综合冷却效果与层板两侧压比的关系,结果表明层板具有很高的冷却效果。运用商用软件Fluent6 0对其进行了流固耦合传热计算,分析了层板内部复杂的流动和换热情况,得到了在不同的进出口条件下该层板的综合冷却效果。计算结果和实验值进行了比较,两者符合较好,表明通过数值计算获取层板冷却效果的方法是可行的。

多孔层板冷却有效性的研究

在大尺寸低速回流风洞中对应用于涡轮叶片的2种绕流结构4块单双层多孔层板进行了流阻特性和冷却有效性的实验研究,结果表明多孔层板有很高的冷却有效性,流阻的大小和冷却有效性的高低主要取决于多孔层板的开孔率,开孔率越大,流阻越小,冷却有效性越高。本文所设计的层板结构参数和试验结果对层板在航空发动机涡轮叶片中的应用有参考价值。

层板冷却结构流阻特性的实验与数值模拟

在吸气式风洞上对两种不同内部流动结构的单层多孔层板进行了流阻实验,采用沿程阻力关系式得出了其流阻特性。应用软件FLUENT,采用隐式有限体积法求解Navier Stokes雷诺时均湍流方程,对层板冷却结构的内部流动进行了数值模拟,湍流模型采用Realizablek ε双方程模型,近壁处湍流利用壁面函数法处理,采用SIM PLE算法求解速度与压力的耦合。计算表明,层板内部流场结构十分复杂,射流冲击后在扰流柱前反卷形成驻涡。层板结构内部存在流速很低的区域。计算得出的流阻特性与实验结果进行了比较,两者符合较好。

层板冷却结构强化换热机理

应用简化的换热模型分析了影响层板冷却效果的因素,得出了燃气侧气膜冷却效率ηf,层板内部换热效率ηi和参数f是影响冷效的决定因素。为了研究层板强化换热机理,提高其内部换热效率ηi以优化层板传热设计,本文在相同的两侧换热条件和冷气密流下,对5种相同孔径、通道高度和开孔率,不同内部绕流形式的层板结构和1种双层壁结构进行了流固耦合传热计算,得到了其综合冷却效率。结果表明层板结构的综合冷却效率明显高于双层壁;冷气沿程吸热焓增带走了大部分从燃气侧进入层板的热,并且冷气与层板内表面的换热主要发生在出气板上,扰流柱的存在增加了换热面积,一定程度上增强了换热;合理设计绕流结构有利于改善层板的热均匀性。

雪花型层板结构冷却特性的数值模拟研究

设计了两种孔间距比的雪花型层板冷却结构 ,采用有限体积法求解三维可压缩的 N- S方程对其内部流动和换热进行了数值模拟。网格划分采用非结构化网格 ,湍流模型为 Realizable k-ε双方程模型 ,近壁处湍流采用壁面函数法处理 ,采用 SIMPLE算法求解速度与压力的耦合。计算获得了这两种冷却结构内部各气流参数的三维分布及流动阻力特性和换热特性。结果表明 ,层板内部的流场结构十分复杂 ,射流冲击后在扰流柱前反卷形成驻涡 ,呈雪花形分布的扰流柱阵列的存在对气流起到了较好的分流和引导作用 ,使气流在冷却通道内分布更为均匀 ,改善了层板换热的均匀性。数值计算对于改进层板内部结构优化设计有着重要的实际应用价值。

绕流柱形对层板流阻特性影响的数值模拟研究

利用有限体积法对三维可压缩的 N- S方程进行离散 ,对内部绕流柱形分别为圆形、方形和菱形的多孔层板冷却结构进行了数值模拟。网格划分采用非结构化网格 ,湍流模型为 Realizable k- ε双方程模型 ,近壁处湍流采用壁面函数法处理 ,采用 SIMPLE算法求解速度与压力的耦合。计算获得了 3种冷却结构内部各气流参数的三维分布和流动阻力特性。结果表明层板内部的流场结构十分复杂 ,射流冲击后在扰流柱前反卷形成驻涡。 3种绕流结构中方形结构流动阻力最小 ,菱形最大。将计算结果与实验结果进行了比较 。

层板冷却结构传热优化数值模拟研究

为研究层板强化换热机理 ,提高其内部换热效率以优化层板传热设计 ,在相同的两侧换热条件和冷气密流下 ,对孔径、通道高度和开孔率相同 ,但内部绕流形式不同的 5种层板结构和 1种双层壁结构进行了流固耦合传热计算 ,得到了其综合冷却效率 ,结果表明层板结构的综合冷却效率明显高于双层壁 ;冷气沿程吸热焓增带走了大部分从燃气侧进入层板的热 ,并且冷气与层板内表面的换热主要发生在出气板上 ;绕流柱的存在增加了换热面积 ,一定程度上增强了换热 ;

应用红外技术进行层板冷却特性的研究

在大尺寸低速风洞中采用红外热成像仪对 3种应用于涡轮叶片的典型多孔层板结构进行了冷却有效性的实验研究 ,通过开发的红外热像仪程序包获得了层板表面详细的壁温分布和冷效分布 ,运用参数分析了层板结构参数对其冷却有效性的影响。结果表明多孔层板结构具有很高的冷却有效性 ,开孔率是影响冷却有效性的决定因数 ,开孔率越大 ,冷效越高。参数 f、燃气侧气膜冷却效率ηf 和层板内部换热效率ηi 是层板优化设计的重要依据。

层板结构冷却有效性的研究

基于一维多孔材料内传热理论,建立层板冷却的理论模型,应用由实验获得的各种层板结构的流阻和换热特性,由层板两侧的压差估算通过层板的冷气流量和层板结构的冷却有效性。对影响层板冷却有效性的因素进行分析,为层板的设计起到指导作用。在相同吹风比下,双层层板要比单层层板冷却有效性高,而三层层板与双层层板之间的差别不大。通过与传统气膜冷却方式的比较,可以发现,层板冷却具有以较少的空气达到较高的冷却效果的巨大潜力。

层板结构内部换热特性的研究

在已研究流阻特性的基础上,通过改变扰流柱柱高、柱形,对两种类型结构的层板进行内表面换热系数的测量、分析。层板内表面上的换热系数随冲击距离的减小而增大,随冲击孔间距的增大而减小。方形扰流柱的换热情况要稍好于菱形扰流柱、圆形扰流柱,并且柱子高低对流场影响很大,尤其是C型绕流方案。基于换热体积和换热面积之比特性尺寸的努谢特数与冲击雷诺数之间成对数线性关系,并整理出准则关系。

冲击双层壁内通道表面换热系数的研究

为了研究双层壁内通道表面换热情况和冲击距离对换热影响,对双层壁结构内通道上、下表面的换热系数进行实验测量。由获得的换热系数来分析研究双层壁内部换热。并对冲击射流的机理作了分析。研究结果表明,在双层壁结构中,在高雷诺数时,在冲击板表面上会出现两个峰值;在进气板表面上也会出现位置随冲击高度变化的一高换热区;层板内通道表面上的换热系数随冲击距离的减小而增大。

层板结构内部流场数值模拟研究

在已经研究的层板换热特性的基础上,通过对层板结构内部流场的数值模拟研究,有助于理解层板内部复杂流动的情况,从而揭示层板内部换热强弱的机理。根据B、C两种类型结构的层板研究表明:在扰流柱柱面附近区域速度最大,这有利于热交换;扰流柱柱高的改变对流场影响较大,而且对换热也带来明显的影响。将数值模拟结果与实验进行对比发现,数值模拟换热系数的分布规律基本与实验相一致,误差也在可接受的范围内。

几何参数对层板冷却性能影响的数值模拟研究

对12种不同几何结构尺寸的层板进行了系统的耦合传热数值计算,研究了通道高度、扰流柱直径、孔间距与孔径比等几何参数对层板冷却效果的影响。结果表明,在相同的冷气密流条件下,减小通道高度可显著提高冷却效果,孔间距对冷却效果影响不大。这里的结果可为层板的优化设计提供参考。

红外窗口气膜冷却数值研究

以二维平板模拟红外窗口,应用数值方法研究了红外窗口气膜冷却的效果和规律.比较了射流切向喷射和大角度喷射下,气膜完全覆盖长度在不同的喷缝高度和总压比下的变化规律,并分析了射流在各种喷射角度下对窗口表面流场的影响.

结构优化技术在高速飞行器上的应用与面临的挑战

高速飞行器是航空航天领域发展的重要方向,具有重大战略意义和重要经济社会价值。首先,对结构优化技术及其在飞行器零部件和全机结构概念设计中的应用进行综述;然后,根据典型使用环境和设计要求,总结高速飞行器结构设计中存在的主要问题和应用需求,着重介绍近年来在高速飞行器零部件和全机结构概念设计中应用结构优化技术的典型案例;最后,提出近期亟待突破或完善的结构优化技术。结构优化技术与设计经验相结合带来设计理念的变革,将成为先进飞行器设计的必备工具和标准流程。面向重大需求的结构优化理论研究与工程实践对提升我国航空航天核心竞争力具有重要价值。