Local Solution of Three-Dimensional Axisymmetric Supersonic Flow in a Nozzle

In this paper, we construct a local supersonic flow in a 3-dimensional axis-symmetry nozzle when a uniform supersonic flow inserts the throat. We apply the local existence theory of boundary value problem for quasilinear hyperbolic system to solve this problem. The boundary value condition is set in particular to guarantee the character number condition. By this trick, the theory in quasilinear hyperbolic system can be employed to a large range of the boundary value problem.

Sivells方法在高马赫数低总压喷管设计中的适用性分析

目前高超声速轴对称型面喷管广泛采用Sivells方法进行无黏型面设计,通过求解轴对称的von Kármán动量方程进行边界层修正。该方法在常规高超声速风洞、激波风洞等的高马赫数、高总压条件下已成功应用,但鲜有在高马赫数、低总压条件下的应用研究。在低总压条件下,采用该方法设计了马赫数6、8、10、12的轴对称型面喷管,通过数值模拟分析流场结构,并进行试验验证;模拟了喷管射流流场,通过对射流流场进行结构分析,判断设计方法的适用性。研究结果表明:马赫数6、8喷管流场与设计基本一致,射流流场品质较好,适合开展风洞试验;马赫数10、12喷管流场局部过度膨胀,马赫数高于设计值,其中马赫数10喷管的射流流场品质较好,马赫数12喷管的射流流场品质下降显著且马赫数轴向梯度增大。因此,在高马赫数、低总压条件下,Sivells设计方法仍适用于马赫数6、8喷管,马赫数10喷管处于临界状态,而不适用于马赫数12喷管。

基于RBF代理优化的固体火箭发动机喷管型面设计

针对固定扩张比与扩张段长度的二维轴对称固体火箭发动机喷管进行扩张段型面优化,优化目标为喷管推力最大化,优化参数为贝塞尔曲线控制点的径向位置,优化方法采用径向基函数(Radial Basis Function, RBF)代理优化算法。采用纯气相与两相流两种模型分别进行优化设计,纯气相的结果表明,对于10个控制点表达的贝塞尔曲线,优化后的推力提高了1.64%。以此优化型面为初始型面,增加控制点个数至16个,二次优化后的推力又提高了0.095%。增大优化参数范围,同时引入判断拐点的约束,对于10个控制点表达的贝塞尔曲线进行单轮优化,结果同上述经过两轮优化之后的结果相近,优化后的喷管推力提高了1.78%,说明算法具有较强的稳定性。通过对不同控制参数个数的贝塞尔曲线优化过程的对比,给出了合理选择控制点个数的方法与建议。两相流的优化结果表明,由于颗粒的滞后影响造成了两相流损失,两相流喷管的推力小于纯气相喷管,但两相流喷管优化后的推力较优化前初始型面的推力提高了1.87%,略高于纯气相喷管。RBF代理优化算法适用于由任意数量控制点组成的贝塞尔曲线表达的喷管扩张段型面优化,并有较高的效率与较强的稳定性。

轴对称Boltzmann模型方程统一算法与空天飞行环境喷管流动模拟

拦截机动飞行器周围大范围区域存在主喷/侧喷流/羽流影响,而传统的纳维-斯托克斯(Navier-Stokes,N-S)方程不能很好模拟发动机喷管扩张段出口附近流动情况,需要一种新的方法来处理这种全流域流动问题。为解决该问题,针对特定轴对称喷管内流动,本文通过数学推导确立描述不同克努森数稀薄环境条件下的轴对称喷管内流动Boltzmann模型方程,初步建立适于该模型方程的数值格式与气体动理论统一算法。通过开展同轴圆筒间的定常/非定常旋转流动以及轴对称喷管内流动数值计算研究,发现统一算法计算流场与其他途径得到的结果吻合较好,验证了统一算法在全局克努森数喷管流动模拟的适应性和可靠性。通过与低密度风洞实验对比,喷管出口核心区羽流结构一致,羽流轴线压力分布一致,表明统一算法可以有效解决喷管入口压缩段到扩张段多流域混合,尤其是出口附近稀薄气体真空低压环境流动问题。

轴对称矢量喷管运动学建模及运动轨迹分析

轴对称矢量喷管为复杂的空间多链路机构,是推力矢量技术的核心。为研究其运动规律,将空间机构位置分析法、解析几何法和环路矢量法相结合,建立了轴对称矢量喷管的空间运动学模型。利用数值仿真实现了其运动姿态的仿真,并通过与ADAMS仿真结果对比,验证了该模型的正确性,进而获得轴对称矢量喷管在不同驱动方式下的位姿以及喉口和喷口的面积变化规律。结果表明:喉口状态和喷管运动状态对喷管面积比均有影响,面积比随着A9作动筒的同步伸长呈明显单调递增状态;A9作动筒异步驱动时,喷管面积比变化较小,喷口矢量偏转角角速度与作动筒运动速度呈比例关系,截面形状由圆形逐渐变为空间上扭曲的椭圆形;拉杆尺寸对喷管机构的面积比变化范围有明显影响,拉杆每增大(或减小)1 mm,面积比变化区间整体上移(或下移)0.025。仿真结果有助于了解喷管的运动规律,可为喷管的参数化分析及优化设计提供理论依据。

轴对称矢量喷管平移控制系统运动学建模仿真

为解决轴对称矢量喷管原始偏转控制方案中出现的奇异性问题及出口截面光顺性较差的问题,提出了一种新型平移控制方案。利用CATIA设计了轴对称矢量喷管平移控制系统的三维模型,在DMU模块中进行运动仿真并激活传感器追踪驱动舵机的旋转角度数据。将三维模型尺寸数据及约束关系代入MATLAB中,建立了空间运动学方程,进行数值计算、曲线拟合及误差分析。获得了描述喷管矢量偏转角、矢量方位角与舵机旋转角映射关系的二维插值模型,进而建立了各个控制周期内矢量偏转角、矢量方位角的动态控制指令。仿真结果表明:该平移控制方案不存在奇异位置且出口截面形状较好,提高了喷管的可靠性及密封性,满足轴对称矢量喷管的精准控制需求,最后通过模型样机进一步验证了该平移控制方案的可行性。

轴对称矢量喷管液压伺服系统设计与仿真研究

针对轴对称矢量喷管的功能要求,设计一种基于模糊PID控制的轴对称矢量喷管液压伺服系统。运用AMESim和MATLAB/Simulink对该系统进行建模与联合仿真,并与常规PID控制进行比较,分析系统的响应特点,验证电液伺服阀冗余备份功能和故障回中功能的可行性。仿真结果表明:所设计的轴对称矢量喷管液压伺服系统具有良好的工作性能,而加入模糊PID控制的系统具有更好的稳态特性、动态特性和更强的鲁棒性,同时验证了电液伺服阀冗余备份功能和故障回中功能是切实可行的。

轴对称矢量喷管喉道运动学精度分析及实验

推力矢量技术主要通过控制矢量喷管偏转来实现矢量控制,轴对称矢量喷管具有偏转机构设计简便、矢量作用效果明显等优点,其喉道运动是完成喷气收扩的基础,为了研究其运动规律,设计了三环连杆传动控制结构;建立了喉道运动学及精度分析模型,讨论了A8两铰孔位置误差、电机伸缩量误差、两个铰座孔的位置误差、外环厚度方向误差对喉道的误差影响;设计搭建矢量喷管实体实验平台,通过非矢量运动实验,验证运动学及精度分析模型的正确性,为进一步喉道和喷口控制分析奠定一定基础。

外调节片对轴对称喷管电磁散射特性影响研究

为研究外调节片与出口面积可调喷管外壁面无法完全闭合时形成的腔体结构对喷管后向电磁散射特性的影响,针对某型轴对称出口面积可调喷管简化模型,在三种电磁波探测频率下,采用迭代物理光学法分别对带外调节片和不带外调节片喷管的雷达散射截面积(Radar cross section,RCS)进行了数值模拟分析,得到外调节片腔体对喷管电磁散射特性的影响规律。研究结果表明,外腔体使得喷管0°探测角处的雷达散射截面积明显增大;中心锥端面和气流进口平面是喷管内腔体的强电磁散射源,外腔体未出现强散射源;外腔体对喷管雷达散射截面积的影响与探测频率没有明显相关性。

轴对称收扩喷管温度场数值仿真

为了提高轴对称喷管壁温仿真精度及获得影响壁温的主要因素,通过加力燃烧室和轴对称收扩喷管联合仿真,并将CFD数值模拟结果和试验状态喷管壁面温度进行对比分析,研究了边界条件对喷管壁温的影响。基于加力喷管联合仿真提取喷管入口参数的方法研究了收敛段隔热屏结构形式、收敛段冷却通道高度和冷却气流量对轴对称收扩喷管壁面温度的影响。结果表明:采用加力和喷管联合仿真计算时喷管调节片链温度与试验结果规律一致,差值较小约50℃;随隔热屏加长调节片温度降低,密封片温度升高;后端半圆形缺口的隔热屏使得扩张段温度呈V型分布,调节片温度升高,密封片温度降低;全环隔热屏对调节片和密封片均有较好的冷却效果;随冷却通道高度减小2 mm,调节片温度升高50℃,密封片温度降低;随冷却气流量增加1 kg/s喷管最高壁温降低200℃。

三维柱对称定常非齐次不可压Euler方程管道问题解的适定性及无穷远渐近速率

该文针对可以包含障碍物的三维柱对称无穷管道问题,运用流函数方法转化为椭圆方程的边值问题,利用能量估计和闸函数方法,证明了定常非齐次不可压Euler方程解的存在性和唯一性以及流线的非退化性即U>0.通过构造比较函数和极大值原理,在漩涡速度W不等于0的情况下,得到了两种边界的收敛速率:若无穷管道在有限长度以外是平边界,则方程的解以指数速率收敛到渐近状态;若无穷管道以多项式速率收敛到平边界,则方程的解以相同的多项式速率收敛到渐近状态.

横向射流相位差对排气系统气动和红外特征影响数值研究

横向射流是降低航空发动机尾喷流在3~5µm波段上红外辐射特征的一种高效低阻的途径。本文以收敛喷管为对象,在喷口下游布置了一对上下对称的扁平横向射流孔,数值模拟研究了两股同频横向射流之间相位差(0°,90°和180°)对下游掺混与红外抑制的影响规律。结果表明,脉动横向射流诱导产生的流向涡强化了掺混,不同横向射流之间的相位差会使涡对出现的时间与空间复杂交错,可以充分卷吸气流,加强尾喷流与外界大气的掺混。而相位差的优化设计可以进一步提高涡对之间的掺混增益,增强红外抑制效果的作用。与Δφ=0无相位差状态相比,随着相位差增大,红外抑制效果逐渐增强。相位差为π时,掺混效果最好,高温区长度降低约14%,红外积分辐射特征最大降幅约13%,光谱辐射降幅最大可达21%,有效增强了对尾喷流的红外抑制。

轴对称矢量喷管数值模拟及数学模型研究

应用数值模拟方法对轴对称推力矢量喷管的内流场性能进行了研究 ,采用 Jameson提出的有限体积法计算了矢量喷管的内部流场和性能参数 ,分析了性能参数及其相关参数之间的关系 。

采用低发射率涂层的发动排气系统红外特征实验

实验测量了涡扇发动机收敛喷管排气系统模型的红外辐射强度的分布,比较了中心锥表面上涂覆低发射率涂层前后,水平平面内0°,5°,10°,15°,20°,30°,45°,60°,75°和90°方向上在3～5μm波段的红外辐射强度。结果表明:在0°～45°范围内,中心锥表面涂覆发射率ε为0.51的涂层后排气系统的辐射强度比原型(中心锥表面ε=0.89)排气系统的红外辐射有明显下降,最大降幅约为15%;低发射率涂层对排气系统固体壁面辐射抑制作用明显,而对燃气辐射几乎没有影响。

矢量喷管柔性机构运动及可靠性仿真(英文)

针对航空航天柔性机构运动具有复杂非线性的特点,提出了一种在UG-ANASYS-ADAMS多软件平台下建立柔性机构模型并进行运动仿真的方法,对某轴对称矢量喷管(AVEN)机构进行了建模仿真;采用响应面方法和蒙特卡洛法相结合的方法得到了矢量喷管性能参数的概率分布,并计算了其可靠性。该方法能够为航空航天领域同类机构的建模分析提供借鉴,响应面方法与蒙特卡洛法结合的可靠性分析方法在满足一定精度要求的同时,能够大大减少计算时间。

轴对称矢量喷管内外流场的数值模拟

在同一偏转角度下,随着喷管压比的增大,推力系数先减后增再减小,而矢量角先增大再减小;在相同喷管压比下,矢量角与喷管偏转角呈线性关系。利用数值计算结果和人工神经网络,建立该轴对称矢量喷管的性能预测模型,喷管性能预测结果与计算值吻合较好,从而验证了该模型的有效性,为减少计算和试验点数节省经费和时间提供了有效的途径。

球形收敛调节片推力矢量喷管的发展

球形收敛调节片喷管(SCFN)是一种正在研制中的先进的轴对称/非轴对称混合式推力矢量喷管。简述了它的发展现状并总结了其结构特点,并指出,它是一种具有发展潜力的推力矢量喷管。

高超声速喷管非平衡黏性流动的数值研究

分别采用平衡气体模型、化学非平衡气体模型和热化学非平衡气体模型,通过求解轴对称Navier-Stokes方程组,数值模拟了法国Marseille高焓激波风洞锥型喷管(H0=10·3MJ/kg),分析了热化学非平衡效应对喷管流动的影响,给出了平动温度、振动温度、马赫数和组分质量数在轴对称线上的分布与喷管出口附近的速度和温度沿径向分布等结果。计算结果表明:化学反应速度加快,会导致喷管出口温度增加,振动能的冻结会导致喷管出口温度降低。

轴对称矢量喷管喉道运动学精确建模研究

轴对称矢量喷管中喉道面积大小影响战斗机的喷管性能,研究通常是以收敛调节片末端的内切圆表示其面积,该种表示在调节片数量不同的情况下导致存在不同程度的误差,不利于进一步进行定量分析。首先研究了喉道截面多边形的变化规律,建立了精确的喉道面积计算通用表达式;其次结合凸轮反转法和坐标转换,推导了适用于一般曲线截面的凸轮滚子喉道控制的运动学模型;最后建立实际算例,进行数值计算和虚拟仿真的验证。研究表明,数值计算与虚拟仿真结果吻合度较高,最大相对误差为0.79%,说明建立的运动学模型正确反映了喉道的运动规律。

轴对称推力矢量喷管载荷变形的控制补偿

研究了温度场和气动载荷联合作用下的轴对称矢量喷管出口面积和偏转角度误差的补偿问题.建立了扩张调节片位姿参数与其悬挂机构尺度之间的关系,导出了悬挂机构关节角位移增量与构件长度增量之间的微分方程,得到喷管出口面积误差和矢量偏转角误差与负载变形之间的解析表达式.利用矢量偏转角度和面积与轴对称矢量喷管转向驱动机构动平台位姿之间的关系,建立了受温度场和气动载荷联合作用下的动平台位姿补偿方程.研究表明,补偿后的矢量偏转角度和面积的相对误差不大于1%.