多单元直排塞式喷管高度特性的数值模拟研究

为了了解多单元直排塞式喷管的高度特性和选择好的塞锥型面设计方案,从曲线坐标下的三维平均雷诺N-S方程出发,用k-ε两方程湍流模型封闭方程组,采用二阶精度无波动、无自由参数的耗散差分格式(NND格式),发展了模拟塞式喷管三维流场的数值程序。计算了圆形喉部方形出口内喷管和直排塞锥的流场及塞式喷管的高度特性,比较了优化型面与简化型面的高度特性,研究了塞式喷管高度补偿特性和截短塞锥与全长塞锥在高度特性上的差别及其产生原因。计算表明,塞式喷管在低空具有高度补偿能力;塞锥截短将给塞式喷管的性能带来损失,在低空尤为明显;从低于设计压比的某个压比开始,塞式喷管失去高度补偿能力而进入类似钟型喷管的膨胀状态,截短塞锥将使塞式喷管失去高度补偿能力的压比降低;简化设计的塞锥型面会带来性能上的损失。

塞式喷管效率高度特性分析

通过理论分析,结合塞式喷管具有高度补偿特性的特点,根据气流流动的情况,将塞式喷管的推力分为两部分,建立了两个不同的塞锥表面压力分布的数学模型,来分析塞式喷管发动机效率的高度特性非单调性变化的规律以及塞锥表面压力分布对其的影响。结果表明,在高的环境压强下工作时,由塞式喷管的高度补偿能力所获得的推力是引起效率高度特性曲线非单调变化的原因;在低的环境压强下工作时,由于塞锥的截短,效率高度特性曲线在设计点之前达到最大值。

基于控制规律的PATR发动机典型工况点速度与高度特性分析

为了研究预冷空气涡轮火箭发动机(PATR发动机)在最大推力状态下的部件匹配规律和系统性能特点,建立了PATR发动机的非线性变工况模型,确定了一种能充分发挥发动机推力性能和使其能安全稳定工作的控制规律,并研究了基于该控制规律的PATR发动机典型工况点的速度和高度特性。数值计算表明:保持氦涡轮转速和入口温度为最大允许值,确保主燃室余气系数不大于1.6和外涵冲压燃烧室余气系数不小于1.5,并使尾喷管喉部开度和空气压气机换算流量保持一定的关系时,PATR发动机处于最大推力状态,并能够在安全边界内工作;在控制规律的约束下,飞行条件的变化使得发动机工作状态点在确定的工作线上移动,决定发动机工作状态的重要参数按照一定的规律变化,因此控制量必须进行相应的调节以实现对发动机工作状态的控制。

基于神经网络识别的SOFC-GT混合系统高度特性研究

在航空方面,对以甲烷为燃料的固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)-燃气轮机(gas turbine,GT)混合动力系统展开了相应的研究。考虑到SOFC-GT混合动力系统复杂的仿真模型,难以满足飞行器飞行过程中对混合动力系统实时控制的需要,本文提出了改进的量子粒子群算法(improved quantum behavior particle swarm optimization,IQPSO)径向基函数(radial basis function,RBF)神经网络模型来描述SOFC-GT混合动力系统在不同高度下燃油流量与效率之间的非线性特性。同时考虑到数据来源不足,本文首先建立了以甲烷为燃料的直接内部重整SOFC-GT混合动力系统的数学仿真模型,并且考虑了GT效率变化对混合动力系统效率的影响,然后基于该模型获取了IQPSO-RBF神经网络模型的训练和预测数据。结果表明:不考虑GT效率变化使得SOFC-GT混合系统效率计算结果偏高;相对于QPSO-RBF神经网络模型和PSO-RBF神经网络模型,IQPSO-RBF模型能更好地预测在不同高度下SOFC-GT系统效率在不同燃油流量下的变化规律。

山西电网导线覆冰的海拔高度特性

本文分析统计了2015年春季山西冰灾的地形分布特征及海拔高度特性,建立了电网故障点的覆冰厚度与海拔高度的函数关系,经分析统计可知,导线覆冰厚度随海拔高度的增长呈现指数函数关系,并拟合出两者的函数关系式。

柴油发动机热管理系统的高度特性

基于空中和高原环境的特点,研究了柴油发动机散热器传热性能的高度特性;进一步建立了发动机热管理系统的流动和传热模型,研究了热管理系统的高度特性;给出了基于最小功耗原则的热管理系统运行参数匹配方法.在固定系统热负荷条件下的计算结果表明:随着海拔高度的增加,在空中环境下,散热器的散热性能先上升后下降,热管理系统中冷却液和润滑油温度先下降后上升,热管理系统所需的最小功耗先减小后增加;在高原环境下,散热器的散热性能随高度增加大幅下降,热管理系统中冷却液和润滑油温度大幅上升,发动机出现过热问题,为了给发动机提供足够的散热能力,热管理系统所需要的最小功耗随着海拔高度的增加而大幅增加.

双钟型喷管高度补偿特性的数值分析

针对双钟型喷管流场中存在的激波、激波与附面层相互作用、大尺度分离流动等复杂的物理现象,应用RNGk ε湍流模型封闭二维粘性可压缩N S方程组,采用二阶迎风格式及隐式Gauss Seidel迭代方法进行耦合求解,对双钟型喷管流场进行数值模拟研究。结果表明,双钟型喷管在低空出现壁面可控流动分离,避免了过膨胀现象,性能优于大面积比钟型喷管;在高空下为完全附着流动,性能优于小面积比钟型喷管,实现了高度补偿特性。

基于无人机汽油发动机高度功率特性研究

本文研究了无人机(以下简称UAV)使用的两种典型航空非增压、四缸活塞式、二冲程汽油发动机(以下简称测样)。将两种测样安装在移动式测功机上,进行台阶式高原试验,文中着重论述了此类发动机高度-功率适应的计算方法、最大功率转速-高度关系、高度-摩擦功关系、高度-机械效率以及升限。通过试验发现大型航空活塞式发动机高度功率计算公式并不适合各种测样功率计算;此类发动机的最大功率转速点几乎与高度无关;为研讨测样升限提出了测样理论升限及其计算方法。

基于弹塑性有限元法的环件冷辗扩高度非线性特性研究

基于LS-DYNA平台建立了环件冷辗扩三维弹塑性多间隙耦合动力学模型,模拟分析了冷辗扩过程中环件应变场、截面形状、辗扩力、金属流动和成形尺寸精度等的高度非线性特征及其对成形过程的影响规律。结果表明:冷辗扩过程理论值与模拟值误差较小,模拟仿真结果具有较高的可信度。

塞式喷管底部气动特性及其对性能的影响

在内喷管倾角为10°,20°,30°,40°和底部二次流为0.0%,0.4%,1.0%,1.4%,2.0%,3.0%的工况下,实验测量了两单元瓦状塞式喷管的底部压强。结果表明在不同的外界反压作用下,底部具有开放、闭合和开闭过渡三种气动状态,底部的这种特性不随内喷管倾角和底部二次流的变化而变化。实验研究了80%,40%,30%和20%截短两单元直排塞式喷管的高度特性,数值模拟计算了实验喷管的性能和塞锥表面的压强分布,数值模拟结果与实验测量数据吻合较好。结合实验数据和数值模拟结果分析了塞锥截短和底部气动特性对塞式喷管性能的影响。

高度补偿喷管的氢氧热试研究

采用气氧作氧化剂、气氢作燃料,对具有高度补偿特性的塞式喷管和双钟型喷管进行了点火热试.介绍了气氢/气氧试验系统,以及试验喷管的结构形式、设计参数和装配照片,喷管试验件采用耐烧蚀的钨渗铜材料加工,成功进行了多次短时间点火热试.给出了试验测量参数曲线、点火热试照片和数据结果,获得了不同高度下塞式喷管和双钟型喷管的热试性能数据,和当量钟型喷管相比两者都具有较好的高度补偿特性.以推力系数效率为例,塞式喷管在低空压强比下达到92%-95%,双钟型喷管低空下为96%-98%,高空下则都在95%左右.

气压对吸气式激光推进冲量耦合系数的影响

保持CO2激光的单脉冲能量为61.4～64.6 J,采用高精度冲击摆系统进行了不同气压下吸气模式激光推进冲量耦合系数的实验测试,分析了对应的高度特性。结果表明:气压为2.8×104～1×105Pa,即距离地面0～10 km时,冲量耦合系数大约3.5×10-4N.s.J-1,上下波动幅度低于5%;气压低于2.8×104Pa,即高度大于10 km时,冲量耦合系数呈二次曲线显著下降;当气压降至1×103Pa,即距离地面约31 km高度时,耦合系数仅为9.7×10-5N.s.J-1。

线性塞式喷管型面快速设计方法

为了发展一套快速有效的塞式喷管型面设计方法,分析了塞式喷管的总膨胀面积比、内膨胀面积比和内喷管倾角与塞式喷管膨胀能力之间的联系,采用二阶和三阶多项式来分段描述塞式喷管的所有型面曲线,并给出了确定各段型面曲线的方法。研究了膨胀面积比对外形尺寸的影响,设计了两套不同类型的实验塞式喷管型面来进行冷流实验验证。结果表明:所设计的塞式喷管具有很好的高度补偿能力。

“瓦”状塞式喷管的数值模拟与实验

为了寻求高性能和更接近工程应用的发动机 ,提出了一种内喷管为轴对称喷管、塞锥为凹面的“瓦”状塞式喷管 ,分析了这种塞式喷管的优缺点 ,并针对一研究模型进行了数值模拟和实验比较。数值模拟采用NND格式求解曲线坐标下的三维平均雷诺的N S方程 ,并用k ε两方程湍流模型封闭方程组 ;实验研究采用酒精和氧气作为推进剂进行了热试车 ;研究模型的内喷管面积比为 3 2 4 ,总膨胀比为 2 2 15 ,设计压力比为 2 2 0。结果显示“瓦”状塞锥改善了塞锥的流场 ,并且当压力比在 16 8～ 2 2 0的范围内变化时 ,其相对理想喷管的喷管效率在 0 90～ 0 96内变化。对发动机设计作进一步改进 。

瓦状特征型面塞式喷管三维计算与实验

为了进一步了解瓦状塞式喷管的性能,采用NND差分格式求解三维N S方程和空气冷流对6单元瓦状特征型面塞式喷管进行了数值模拟和实验研究。研究模型的内喷管面积比为4,总面积比为40,设计压强比为1047。计算得到了流场马赫数和塞锥表面压强分布、喷管推力系数效率,以及不同压强比下中心平面、过渡平面和边缘平面的塞锥表面压强变化规律。计算结果与实验数据吻合得较好,效率数值最大相差1%。实验塞式喷管最大的推力系数效率为0 995,同钟型喷管相比,具有很好的高度补偿能力:从地面到高空,效率在0 93～0 995之间变化。和以前简化型面的4单元瓦状塞式喷管相比,实验和数值模拟均说明塞锥特征型面的优化设计提高了喷管性能,更充分体现了塞式喷管的高度补偿特性,可以成为未来工程应用的选择方案。

航空汽油机双级涡轮增压器系统的基本模型

为进行高空大气研究或者高空无人侦察,需要使用适合于1至3万米高空低速长航时飞行的加装多级涡轮增压器的活塞发动机系统。本文对于其中的双级涡轮增压器子系统的设计和飞行高度特性分析问题,给出了基本的气动热力学方程组和辅助模型方程组。方程组考虑到最简单的压气机-涡轮共同工作特性,考虑到增压器的总体与部件的气动设计可行条件的约束,发展的计算程序还考虑到必要的一维流动约束条件。这些确保了压气机、涡轮部件的设计存在可行解并可优化。于是得到了一种比总体部件法模拟方法清晰快速得多的基本设计与分析模型。算例已分析出一般双级增压的发动机系统的全功率高度特性的基本规律和物理特征,并随之提供出飞行控制中的增压器子系统和活塞发动机的调节计划数据。

多单元直排塞式喷管发动机性能

为了了解优化设计的塞式喷管的性能及燃气流动中热力学参数变化对性能的影响 ,对比钟型喷管与塞式喷管的高度特性 ,从曲线坐标下的三维平均雷诺N S方程和Euler方程出发 ,采用LU时间隐式格式、MUSCL空间离散方法 ,发展了模拟塞式喷管三维流场的数值程序 .计算了从喉部圆转方内喷管的性能 ,比较了冻结和变化热力学参数对塞式喷管性能的影响及塞式喷管与相同面积比钟型喷管的高度特性曲线 .

涡扇-冲压组合发动机性能计算模型及性能分析研究

选择串联式涡扇-冲压组合发动机方案作为研究的对象,给出了涡扇发动机和冲压发动机主要设计参数,并根据设计任务的要求,确定涡扇-冲压组合发动机的工作模态方式。采用模块化的计算程序,数值计算研究了涡扇/冲压组合发动机沿飞行轨迹的性能以及其的速度/高度特性。计算结果表明:涡扇/冲压组合发动机的性能优化可通过降低涡扇发动机的转速来实现;涡扇/冲压组合发动机在从涡扇向涡扇/冲压模态转换时,发动机的推力会出现脉动。此时,可通过调节涡扇发动机高压压气机的相对转速来削弱组合发动机推力脉动的幅值。

单元二维直排塞式喷管冷流实验

为研究塞式喷管的高度特性和底部特性,采用高压空气为工作介质对单元直排塞式喷管进行实验.研究了底部盖板、底部二次流对性能的影响和塞锥壁面压强分布.实验结果表明:无底部盖板可提高塞式喷管低空性能2%～7%;底部二次流可提高底部压强,减少底部开闭状态转变过程带来的推力突降;底部二次流流量以1%～1.5%为宜,过大将引起喷管性能下降.本实验喷管设计点效率均超过99%,部分实验接近100%,高度补偿效果明显.