各向异性Kelvin泡沫胞元高径比对其流动传热特性的影响

飞行器热管理系统中所用的高孔隙率泡沫材料具有质量轻、比表面积大等优点,孔隙尺度几何参数的优化设计对有效提升综合传热性能、降低结构质量至关重要。以各向异性Kelvin泡沫胞元为研究对象,采用混合热格子Boltzmann方法以及多GPU加速技术,实现了同时考虑泡沫骨架导热和多胞元孔隙尺度强迫对流换热的共轭传热数值模拟。在上述基础上,分别选取了Re=10、100、1000计算条件,开展了不同胞元高径比(H/D=0.5、0.75、1.0、1.5、2.0)对其流动传热特性的影响规律研究。结果表明,在不同Re条件下,随着各向异性Kelvin泡沫H/D的减小,其泡沫内部的流动阻力及努塞尔数均增大,且随着Re的增大,对流换热的作用增强,H/D的影响也更为明显。此外,相比于流动阻力,结构传热性能受H/D的影响变化速率更大,由此造成综合传热因子(j/f^(1/3))与H/D成反比关系,即减小Kelvin胞元H/D可有效提高泡沫结构的综合传热性能。

非均匀装药的复杂燃面退移与内弹道性能预示

非均匀装药的复杂燃面退移与内弹道性能预示是固体火箭发动机设计的核心问题。建立非均匀装药燃烧的燃面退移数学模型,提出一种采用有限元法通过求解泊松方程逼近程函方程黏滞解的新方法(PEF)。所提方法可将燃面退移问题转化为特殊的稳态热传导问题,实现对几何形状不规则且燃速分布复杂的三维装药燃面退移的计算。考虑燃烧室压力变化等实际因素,在平衡压力假设下,形成了内弹道性能预示的4种计算模型。完成了二维星型装药、三维翼柱型装药和含金属丝的双推进剂装药的计算。计算结果表明:所提方法不仅可以高精度地适应多种推进剂构成的复杂交界面,而且可以直接在商业有限元软件的稳态热传导模块上应用和求解,充分利用商业有限元软件成熟的计算机辅助设计(CAD)建模、前处理、后处理及二次开发能力,实现了复杂燃面退移与内弹道性能预示方法的通用化和实用化。

基于Mastercam的多轴加工技术在历史文物中的应用探索

文章以历史文物西安兵马俑为例展开Mastercam多轴加工技术的应用研究,主要包括刀具参数设置、刀轨路径分析、铣削参数优化等,最终形成了集建模设计到多轴加工的高质量加工策略。实验数据分析结果表明,应用此加工策略可有效提高历史文物工艺品的加工质量,为我国历史文物的长期有效数字化保护与宣传提供了有效技术路线,扩大了智能制造技术在传统文化领域的应用范围,具有广阔的市场应用前景。

比例式变推力固体姿控发动机非稳态特性研究

为了研究比例式变推力固体姿控发动机的内流场非稳态特性,建立了比例针栓推力器的二维轴对称计算模型,基于动网格技术模拟入口压强随喉部面积变化而变化的推力器工作模式,得到了内流场各性能参数的变化规律。结果表明:在非稳态工作过程中,内流场会出现典型的亚音速回流区、斜激波和流动分离等特征,入口压强、针栓壁面及喷管壁面压强均随针栓靠近喉部而增大,推力器推力逐渐上升,实现了推力连续调节。开关频率会加剧针栓前进过程中头部压强波动。针栓头部收敛角越大,其头部回流区越小。当喉部面积一定时,燃速压强指数越高,发动机压强与推力变化范围越大,为实现预设的推力调节范围,需要选择合适的燃速压强指数。

三明治式飞行器热防护结构研究进展

三明治式先进热防护结构广泛应用于航空航天装备。然而,由于上述结构多为板面与芯体组合形式,加之通道内流场的综合作用,其换热机理呈现出复杂、多变及强耦合的特点,难以针对真实结构及环境工况开展计算、仿真及实验工作。为此,致力于为飞行器热防护结构设计、仿真、试验、优化工作提供可靠技术支撑,本文选取蜂窝夹芯结构、波纹板夹芯结构和点阵夹芯结构,对于点阵夹芯结构又从四面体、金字塔、X型和Kagome型点阵着手,对国际、国内主要研究团队近年来相关流动与换热研究成果进行综述。阐述了3种热防护结构的结构形式和发展历程,分析了板面与芯体组合作用下的换热形式及隔热机理,归纳总结了现有研究不足之处与发展趋势。可以看出,点阵夹芯相比蜂窝与波纹板夹芯结构,由于其芯体内复杂湍流的存在,换热效率高、温度梯度小,具有更好的隔热潜力。

双射流激波针在高超声速下的减阻降热特性

严酷的气动力和气动热环境是制约高超声速飞行器发展的两个重要因素,如何高效地降低高超声速飞行过程中的阻力和热流一直是设计者们追求的目标。为此,本文提出了一种结合后向射流和根部逆向射流的双射流激波针新构型。数值模拟研究发现:该构型能够利用后向射流产生的反作用力削减逆向射流附加阻力对减阻效果的影响,因此与无射流和单一射流方案相比,双射流激波针的流场结构显著改变,减阻降热效果极大提高。此外,增大激波针的长径比(L/D)有利于提高双射流激波针的减阻效果,但会使降热性能有所下降:在本文研究中,当激波针长径比从1增大到4时,结构的总阻力系数降低了71.9%,而钝体总热流增大了13.7倍。同时,增大射流总压比PR可以显著降低壁面热流:当逆向射流总压比(P_(R,o))或后向射流总压比(P_(R,r))大于0.4时,钝体壁面的热流极低并开始出现负值;然而,阻力系数随P_(R,o)和P_(R,r)的变化趋势恰好相反,随着P_(R,o)从0.2增大到0.5,由于逆向射流附加阻力的影响,结构总阻力系数增大了66.7%,而得益于后向射流的推力作用,结构总阻力系数则降低了59.3%。

长尾管固体火箭发动机内部流动特性仿真分析

为分析长尾管固体火箭发动机的内部流动特性,编制微分内弹道程序进行发动机内弹道解算;同时采用自定义函数建立质量进口条件、动网格技术模拟燃面推移、欧拉-拉格朗日模型结合粒子随机游走模型,对无长尾与有长尾结构固体火箭发动机三维两相瞬态内流场展开对比研究,对比了发动机的性能,分析了长尾结构对气相流动特性与不同直径颗粒的运动分布的影响。分析结果表明:内弹道与流场仿真的发动机平衡压力基本一致。有长尾结构带来了沿程阻力损失,内部平衡压强要高于无长尾结构发动机压力,导致了装药燃烧加快,输出推力反而减小;燃气流经长尾区域流速增加明显,但粒子作用会导致轴线附近流速与温度的震荡,温度整体变化小,故此区域热防护应该重点考虑;由于惯性,粒子在长尾区域先汇集后发散,随粒径增加,粒子汇集区越靠前,散布程度越大,气流对粒子运动作用越小。

基于LSTM网络的内弹道性能预示方法

零维内弹道分析计算简便、高效,是一种常用的内弹道性能分析方法,但其常采用将喉径变化视为线性烧蚀的方法对喉部面积进行简化处理,而大量的试验表明喉径烧蚀并非线性,喉衬烧蚀主要发生在发动机工作的中后期。为此,文中提出了一种基于遗传算法和LSTM神经网络的内弹道性能预示方法,首先利用遗传算法和零维内弹道计算方程,从试验所得的压强数据中对喉径变化曲线进行辨识;然后利用LSTM神经网络建立喉径变化预示模型,实现对发动机喉径变化曲线的预示,并以此为基础对工作段内弹道性能进行预示;最后以实际案例对该方法进行验证,预示曲线与实际曲线的均方误差为0.118 MPa,相对误差为1.35%,结果表明该方法可以较为准确的预示固体火箭发动机的压强变化曲线。

轴流压气机叶尖三维非定常流动的本征正交分解

为进一步认识跨声速轴流压气机叶尖流场的非定常流动特征,文章针对NASA Rotor 35的非定常数值计算结果,通过本征正交分解法(Proper Orthogonal Composition,POD)对近失速工况下的叶尖非定常流动进行分析。结果表明:本征正交分解法可以将叶尖非定常流动按能量高低进行模态分解。并通过分析各模态系数频谱特性,捕捉到了叶尖流场非定常流动的波动频率及对应模态在叶片前缘沿周向移动的大尺度扰动结构。该方法使用叶尖流场波动频率对应模态进行流场重构,揭示了流场非稳定流动的特征结构。

耦合尾喷管堵盖运动的水下固体火箭发动机点火启动过程特性

为研究水下固体火箭发动机点火启动过程的流场特征与工作特性,对尾喷管堵盖分离约束下的点火燃气泡演化过程进行数值模拟。采用流体体积多相流模型与动网格技术,建立耦合喷管堵盖运动的水下燃气射流仿真模型。对点火初期燃气泡形貌瞬态演化和流场参数的振荡特性进行分析,揭示变深度下发动机点火的初始推力脉动特征及形成机制。研究结果表明:点火开盖初期压差驱动堵盖强烈地冲击液相,尾壁空间产生高压区形成初始推力峰;点火深度越深,燃气泡沿轴向的增长速度越慢、长度越短,颈部出现收缩时刻越提前,流场参数和发动机推力的脉动特性越强;深水下燃气泡颈部收缩后,发动机喷口激波系出现往复振荡,导致尾壁空间产生压力振荡形成多个脉动推力峰,激波系的不稳定运动是推力出现脉动的主导因素。

固体火箭发动机喷管化学烧蚀的动态数值模拟

为分析固体火箭发动机喷管的化学烧蚀过程,准确预测喷管壁面烧蚀率,在Fluent平台上采用UDF二次开发方法,结合壁面化学反应模型和动网格技术建立了动态烧蚀模型,实现了喷管型面衰退和内流场变化的双向耦合作用.针对推进剂中不同Al质量分数的工况,利用动态烧蚀模型对70-lb BATES发动机喷管的二维非定常流固热耦合过程进行了数值仿真计算,论证了模型的准确性.结果表明:烧蚀率计算值与试验值基本一致;烧蚀率随推进剂中Al质量分数的增加而降低;动态烧蚀模型能更准确地预测喷管壁面烧蚀率;型面衰退改变了喷管流场,在喉部附近产生了更高的压强和温度;采用动态烧蚀模型计算的喷管在喉部壁面附近的H_(2)O和CO_(2)的浓度更高.

某型固体火箭发动机喷管泄压结构设计与试验验证

针对固体火箭发动机喷管的泄压技术要求,提出了环向应力槽喷管泄压方案。首先利用ANSYS软件对泄压结构进行结构静力有限元分析;然后对泄压结构进行参数化优化设计,初步筛选了泄压方案的结构尺寸;最后,采用水压试验和动态点火试验对环向应力槽泄压结构进行了验证,最终确定了环向应力槽的几何结构尺寸,验证了固体火箭发动机喷管环向应力槽泄压结构的有效性。

临近空间飞行器发汗冷却研究进展

发汗冷却是一种针对临近空间飞行器的冷却能力极强的主动热防护方式,本文通过对国内外大量相关文献进行调研,阐述了发汗冷却的作用机理及特点,归纳总结了近些年发汗冷却取得的研究进展,主要内容涵盖结构基体材料及冷却工质的选择、研究方法的发展以及相关的结构优化设计等,并展望了未来可能的研究方向。

喉栓式可调喷管推力模型优化研究

针对喉栓式可调喷管,建立了几何喉部面积计算模型、理论推力模型以及三维仿真模型,对喷管内流场进行了数值模拟,研究了几何喉部面积、出口质量流率、喷管推力随喉栓位置的变化规律,对比发现理论推力与数值模拟计算结果相差较大,因此对推力模型进行了优化。首先建立了气动等效喉部面积的计算方法,研究了气动等效喉部面积随喉栓位置、工况的变化规律,优化了等效喉部面积计算模型,能较好拟合气动喉部面积随喉栓位置的变化情况。在此基础上,针对喉栓运动后期,喷管处于过膨胀状态时的推力模型进行了二次修正,优化后的推力模型与仿真结果相吻合。最后进行了喷管冷气推力测试,获得了不同喉栓位置和入口压强下的喷管推力,验证了推力模型的准确性。

复合材料壳体发动机推进剂药柱立式贮存应力分析

固体火箭发动机(SRM)推进剂药柱在立式贮存时要承受两种主要载荷联合作用,即固化降温趋于平衡后的长期温差热载荷以及轴向的重力载荷作用。根据推进剂的材料特性以及不同的加载条件,采用线弹性理论,分别进行了SRM药柱在两种载荷作用下的三维有限元应力、应变计算,对药柱及其界面的危险部位重点进行了分析。

基于主被动层析融合的碳烟火焰多参数场重建

为克服实际工程应用中火焰辐射特性未知导致对火焰温度和辐射特性协同重建的低效率和低精度难题,结合主动激光层析吸收光谱和被动辐射成像技术,提出一种基于主被动层析融合的高温碳烟火焰多物理场协同重建的新方法。结合多谱段下激光层析透射测量信号和火焰自发辐射光场测量信号,根据火焰弥散介质辐射传输机理建立主被动层析的多场协同重建模型,对数值模拟高温碳烟火焰和耶鲁大学实验燃烧火焰的三维辐射物性场、温度场及气固两相燃烧产物组分浓度场的协同重建进行模拟研究,并对多种测量信号的随机误差进行误差传递分析。结果表明:当激光信噪比大于25 dB时,模拟火焰衰减系数场重建的相关系数接近1,重建的温度场与真值吻合较好;当激光信噪比大于30 dB时,实验火焰碳烟颗粒浓度场重建的相关系数接近1,温度场重建相关系数约为0.83;光场信号测量噪声对温度重建精度的影响比激光测量噪声显著,应尽可能保证激光与光场测量系统的标定精度。

水冲压发动机热力计算

简述了水冲压发动机化学平衡与非化学平衡热力计算方法及相应的适用条件,计算了试验发动机补燃室温度,并与试验数据进行了对比分析。分析结果表明,该热力计算方法适用于水冲压发动机。用热力计算方法可确定水冲压发动机最佳水燃比,进而指导水冲压发动机的设计和试验。

固体火箭发动机模态分析的缩聚方法

对于一些复杂结构的模态分析,要得到能够指导工程设计的结果,几何模型和力学模型划分单元必须足够多,这必然耗费大量的空间和时间资源,并导致计算困难。文中以某上面级固体火箭发动机模态分析为例,利用有限元法、固定界面法和Guyan缩聚法进行自由度缩聚后再进行模态分析,分析结果令人满意。

带装药裂纹发动机内流场数值研究

在N S方程基础上 ,考虑网格移动 ,建立了适用于固体火箭发动机内流场的湍流控制方程组 ,并对带装药裂纹的固体火箭发动机内流场进行了数值模拟 ,分析了推进剂中裂纹深度、宽度、位置、角度等多种因素对发动机内流场的影响。计算结果表明 :(1)裂纹出口处流速高 ,大于主通道流速 ,在裂纹出口附近存在回流区 ;(2 )当裂纹紧靠发动机前封头时 ,裂纹出口附近回流强度减弱 ,裂纹对发动机内的流动影响较小 ;(3 )当裂纹深度与裂纹宽度比大于 2 4 0时 ,裂纹内压强急剧升高 。

HTPB固体推进剂老化性能检测新方法

引入了光致正电子湮灭分析方法 (PIPA,Photon Induced Positron Analysis),对HTPB固体推进剂老化性能进行检测研究。介绍了PIPA的原理、PIPA试验平台的搭建以及PIPA的数值处理方法,并用511KeV能谱的FWHM值ε(半高宽,Full Width Half Maximum)表征HTPB固体推进剂老化引起的微观变化,所得结论与固体推进剂的常规测试一致,证明了PIPA用于固体推进剂老化性能无损检测的可行性。