乘波体设计与优化研究进展——从高超声速至宽速域

高超声速飞行器是当前世界航空航天强国抢占制高点的重点方向.目前,该类飞行器正朝着更高速度、更强机动和更宽速域的方向发展,而乘波体的高升力、高升阻比以及下表面流动均匀等优势使其在高超声速飞行器设计中极具应用价值,是当前国内外高超声速气动布局领域研究的热点之一.文章回顾了国内外典型高超声速飞行器和宽域飞行器的发展历程和趋势,系统概述了传统乘波体的设计方法、优化方法、各向稳定性以及宽域化乘波体设计方法等方面的研究进展,并提出一种全参数化描述的宽域乘波翼身融合布局设计方法及宽域气动布局方案,结合数值计算和风洞试验对该布局的宽域气动特性进行了详细评估,结果表明:该布局的亚声速、超声速和高超声速最大升阻比分别为8.4(Ma0.8),5.8(Ma1.5)和5.0(Ma5),整个宽域焦点变化范围为4.8%L,具备较优的宽域升阻匹配和操稳匹配特性.最后,对乘波体在超高速气动物理影响与正向优化设计方法、宽域布局设计与优化方法以及智能可变形飞行器等方面的发展方向进行了展望.

浅埋富水地层特大断面矩形顶管隧道掘进参数分析

为保障特大断面矩形顶管隧道在浅覆土、小净距下的安全高效掘进,依托世界上首个直径15 m级3车道矩形顶管隧道工程,对顶管多刀盘开挖系统、减摩注浆系统、三螺机出渣系统进行针对性优化设计。通过对顶管主要掘进参数及地层沉降监测结果进行统计分析,得到以下结论:1)本工程采用的减阻措施有效降低了管节受到的地层摩擦阻力,实际总推力为理论值的40%左右;2)刀盘直径和安装高度对刀盘转矩影响较大,多数刀盘转矩均值小于额定转矩的一半,说明刀盘额定转矩有较大的优化空间;3)顶管掘进过程中盾壳受到较大的地层挤压力,土舱内渣土压力也显著大于地层侧向土压力,停机后上述压力均有较大幅度降低;4)顶管掘进后地表横向沉降槽呈“盆”状,隧道两侧0.5倍开挖宽度内的地层沉降较大。

PVC-U套管在小口径科学实验孔中的应用探讨

根据地质需要,采用XY-6B型钻机在内蒙古棋盘井煤矿区实施了一口设计深度535 m的科学实验孔,终孔孔深540 m,终孔口径133 mm,完钻后需进行地球物理测井工作。为了减小钢套管对入井仪器信号屏蔽,需要按地质设计下入?90 mm PVC-U套管,下PVC-U套管前做了大量准备工作,主要从孔径参数设计、PVC-U套管连接改造、采用导正锥头防止PVC-U套管下入过程发生磨损卡钻及加工滤水管平衡冲洗液浮力等方面入手,顺利完成了该科学实验孔的PVC-U套管下管工作,确保了一系列孔内科学实验工作的顺利完成。

乘波布局高焓激波风洞测热试验研究

以钝化锥导乘波体为研究对象,开展了高焓激波风洞测热试验以及高温化学非平衡气动加热数值验证,对乘波布局滑翔飞行器前缘线和下壁面热流分布特征进行了研究。结果表明:乘波布局飞行器表面热流主要集中于头部驻点及其附近的前缘小范围区域内;在0°~6°的迎角范围内,迎角的改变基本不会对前缘线热流产生太大影响,但会导致下壁面热流明显增加;而侧滑角即使在0°~4°的范围内变化,也将导致前缘线迎风一侧热流明显增加。

吸气式高超声速飞行器冷态测力试验支撑校正

吸气式高超声速飞行器整体外形与推进系统性能高度耦合,在风洞测力试验中,支撑机构不可避免会对其气动特性产生影响。针对该类飞行器冷态气动力试验中存在的支撑干扰问题,以基于乘波前体的机体/发动机一体化飞行器为研究对象开展试验和计算研究,对比了尾支撑、背支撑和背支撑+虚拟尾支撑3种风洞支撑机构对飞行器主要气动力参数的影响,并通过比较不同支撑方式的测量结果对气动力进行了校正。试验在来流马赫数4和6两个工况下进行。结果表明:相对于背支撑,尾支撑对飞行器气动力参数的影响较小,更适合作为吸气式高超声速飞行器冷态测力试验的支撑机构;结合背支撑和背支撑+虚拟尾支撑的方式,可以有效地对尾支撑测量结果进行校正,提供更为精准的气动力试验数据。

采用条形光栅相位图的液晶空间光调制器的标定

为了提高液晶空间光调制器(LC-SLM)的校准精度,采用条形光栅相位图对LC-SLM进行了标定。首先基于傅里叶光学模拟计算得出了条形光栅相位图对比度与零级衍射光斑光强之间的对应关系,然后搭建实验光路并在LC-SLM上加载了条形光栅相位图,测量LC-SLM控制程序中加载的灰度图所对应的零级衍射光斑光强值,经过分析计算得出计算机灰度信号与相位调制量之间的映射关系,并最终得到了针对488 nm激光的LC-SLM的标定文件LUT。经过标定之后,相位调制曲线的线性相关度可达0.996 4,校正误差仅为0.224 0 rad。结果表明,在LC-SLM上加载复杂的高阶相位,并结合LUT文件可以调制生成高质量的双螺旋光斑。此研究结果表明:针对特定波长,利用条形光栅相位图标定的LC-SLM得到的LUT文件可以使LC-SLM根据加载的相位对光束进行有效调制,且其方法更简单。

MEMS振镜扫描共聚焦图像畸变机理分析及校正

在皮肤反射式共聚焦显微成像过程中,针对MEMS振镜二维扫描引起的共聚焦图像畸变,开展了光束偏转理论分析,得出了投影面扫描图像的具体形状表征,理论畸变图像与真实畸变图像一致,明确了畸变机理,提出一种有效的畸变校正算法,实现对图像二维畸变的校正。首先记录原始光栅畸变图像,然后基于Hessian矩阵提取光栅中心线,拾取特征点并设置基准参考线,通过基于最小二乘法的7次多项式插值法标定二维方向像素畸变校正量,采用加权平均法填补间隙像素灰度值,最终实现图像畸变校正。利用网格畸变测试靶实验得出7次多项式插值后的校正决定系数最高、均方根误差值最低,整幅512行图像在7次多项式插值后最优行数占379行,比例为74%,通过残差分析,二维方向上残差最大为4个像素,最小为0个像素,平均为1.15个像素,校正结果较为精确。皮肤在体实时成像实验显示,图像畸变校正后组织结构特征更加真实准确,表明这种校正算法有效可行,有助于皮肤疾病的准确诊断。

汕头海湾隧道超大直径泥水盾构针对性设计及不良地质施工技术

为应对海域环境土-岩-孤石复合地层超大直径泥水盾构施工存在的重难点及风险,以汕头海湾隧道为工程依托,对泥水盾构的刀盘刀具、冲刷系统、主驱动等进行针对性设计以提高设备适应性,并在孤石处理、刀具配置、掘进参数、施工管理等方面采取针对性施工方案。通过采取以上措施,实现了降低刀具损坏、控制管片上浮、提高施工效率的效果,保障盾构安全、快速通过了不良地质地层。

汕头海湾隧道复合地层超大直径泥水盾构掘进参数预测研究

为研究复合地层超大直径泥水盾构掘进参数之间的复杂关系,以汕头海湾隧道工程为背景,选取700环掘进数据,通过优选函数类别和网络结构,建立基于BP神经网络的复合地层超大直径泥水盾构掘进参数预测模型,定量预测刀盘转矩、刀盘能耗和平均泥水压力。研究表明:1)复合地层盾构贯入度和掘进速度、贯入度和刀盘转速、刀盘电流和刀盘转速的皮氏积矩相关系数绝对值均在0.75以上,具有良好的线性相关性,其他掘进参数之间相关性较不明确;2)复合地层盾构刀盘转矩和刀盘能耗预测值与实际值的算术平均误差在5%左右,平均泥水压力预测值与实际值的算术平均误差为1.31%,预测精度较高,满足盾构施工要求;3)基于BP神经网络预测模型,软土地层各掘进参数预测效果得到进一步提升;4)根据BP神经网络预测模型输入参数定量预测其他掘进参数,操作简单,预测效果良好,能够为盾构主司机提供参考,同时提高施工效率,为实现智能掘进打下基础。

浅覆土超大直径泥水盾构隧道开挖面稳定性研究

为研究盾构隧道采用不同支护介质时开挖面稳定性与支护力的关系,探索开挖面失稳破坏发展规律,采用ANSYS对盾构隧道三维数值模型进行了优化,并用FLAC3D分别对泥浆支护和气体支护两种工况不同支护力下开挖面的稳定性进行了数值模拟,分析了开挖面土体的应力、应变、位移速度等模拟结果。主要结论如下:随支护力减小开挖面首先产生局部破坏,采用泥浆支护时局部破坏出现在开挖面中部,而采用气体支护时则在底部区域,两种工况下开挖面整体破坏均与三维楔形体破坏模型近似;开挖面土体应力(SXX,SYY和SZZ)与支护力大小存在正相关性,其中SYY分布规律与支护力保持一致;随支护力的减小,开挖面水平最大位移与地表最大沉降量增大速度均先慢后快,地表最大沉降点在开挖面前方0.5倍洞径处,且横向沉降槽宽度大于纵向沉降槽;土体位移速度和剪切应变增量与开挖面稳定性存在较强关联性,二者在开挖面产生整体破坏时均呈现规律性变化。

多刀盘矩形顶管土仓渣土流动数值模拟分析

为研究掘进过程中多刀盘矩形顶管土仓内渣土的流动特性及刀盘扭矩参数,以嘉兴市市区快速路环线工程下穿南湖大道区段为例,采用离散单元法模拟刀盘与渣土的交互作用。结果表明,多刀盘作用下仓内渣土流动性整体较好,可形成多个高速排渣通道,排渣速率满足顶管最大掘进速度设计要求;土仓后部两侧1.5m宽度范围内渣土流动性则较差,易出现渣土滞排黏结问题。刀盘直径和安装位置对刀盘扭矩影响较大,土仓下部刀盘扭矩约为同直径土仓上部刀盘的1.5倍。对比现场刀盘扭矩监测结果及土仓内渣土黏附情况,与模拟结果较一致。

绳索取心钻进中顶漏钻进工艺实践

2020年,宁夏地质矿产勘查院在宁夏中宁县烟洞山地区实施了50个石灰岩勘查钻孔。由于该矿区灰岩地层裂隙发育,普遍存在严重漏失现象,绝大多数钻孔出现冲洗液失返性漏失,施工初期,发生了2起烧钻事故,钻探成本居高不下。为了完成钻探施工任务和节约成本,项目组从钻孔结构、钻头选型、钻进参数及泵量优化入手,摸索出一套绳索取心钻进中的顶漏钻进施工工艺,采用清水代替冲洗液,同时严格控制各项钻进技术参数,顺利完成了全部钻探施工任务,平均台月效率883 m,平均岩心采取率98%,有效提高了施工效率,降低了钻探成本,为地方发展提供了有力资源保障。

宁夏宁东地区废弃冲洗液无害化处理技术初步研究

宁夏宁东地区作为国家级能源基地,近年来布置和实施了大量的岩心钻探工程,产生的废弃冲洗液数量大,由于废弃冲洗液处理方式比较单一,对周边环境有一定的破坏和影响。通过对宁东地区废弃冲洗液处理方式的调查研究,选择固化法对废弃冲洗液进行了处理,产生的污水和固化体满足国家相关排放标准,形成了一套适合类似地区废弃冲洗液处理方法,有助于保护宁东地区脆弱的生态环境。

高超声速“准乘波体”构型优化设计方法

乘波体构型以其非常高的气动效率,在高超声速飞行器设计中有着广阔的应用前景.基于各种基准流场的乘波体生成方法的发展,使得在飞行器设计过程中可以根据不同需求选择不同类型的乘波体构型.但是,乘波体构型一般难以直接满足容积率、配平、稳定性等基本的飞行器设计工程需求.针对这一情况,本文结合遗传算法和考虑强黏性干扰效应影响的气动力工程算法,提出了一种"准乘波体"构型优化设计方法.所谓"准乘波体",是指在外形生成过程中保留了乘波体的前缘线,然后对于不同的纵向截面,以相同的型线方程从前缘点出发生成下表面.型线方程以一组幂函数为基函数,通过改变基函数系数即可以不同工程需求为约束条件,借助遗传算法优化获得最优构型.分别获得了无约束条件、以容积率为约束和以在设计点自配平且纵向静稳定为约束的最优"准乘波体"构型.通过CFD数值模拟对相应构型的气动力特性进行了评估,结果表明:"准乘波体"构型流场能够保持较好的"乘波"特性且下表面压力分布较为均匀,可以获得比原乘波体更高的升阻比;通过引入不同约束条件获得的最优"准乘波体"构型,可以在一定范围内灵活地改变容积率,并且在优化过程中可以实现在设计点处满足配平和纵向静稳定要求.

Aerodynamic characteristics research on wide-speed range waverider configuration

Waverider generated from a given flow field has a high lift-to-drag ratio because of attached bow shock on leading edge. However, leading edge blunt and off-design condition can make bow shock off leading edge and have unfavorable influence on aerodynamic characteristics. So these two problems have always been concerned as important engineering science issues by aeronautical engineering scientists. In this paper, through respectively using low speed and high speed waverider design principles, a wide-speed rang vehicle is designed, which can level takeoff and accelerate to hypersonic speed for cruise. In addition, sharp leading edge is blunted to alleviated aeroheating. Theoretical study and wind tunnel test show that this vehicle has good aerodynamic performance in wide-speed range of subsonic, transonic, supersonic and hypersonic speeds.