On the Transient Numerical Simulation of Solid Rocket Motor by Coupling Quasi One-Dimension Internal Flow with Three- Dimension Propellant Grain Burnback

固体火箭发动机内三维药柱燃烧的瞬态拟一维流场仿真

段娟^1,2,熊永亮^1,2,胡宁东^1,2

（1．华中科技大学 力学系,武汉 430074;

2．湖北省工程结构分析与安全评定重点实验室,武汉 430074）

创新点说明：

开发了固体火箭发动机内弹道混合维度求解器——耦合三维水平集法与一维TVD-MacCormack法降阶求解三维固体药柱燃烧退移时的瞬态流场及主要性能参数,该求解器可计算出较高精度的流场参数。

研究目的：

利用拟一维可压缩流场代替三维瞬态流场,并耦合三维水平集法从而降低固体发动机瞬态仿真的计算量,为进一步研究与指导设计提供可行性指导。

研究方法：

文中利用水平集法来捕捉三维药柱的实时界面并以此确定流场计算域,同时利用一维流场代替三维流场可大大节省计算成本,其原理是因为在药柱燃烧过程中径向和周向的流场参数变化对内部流场的影响相对较小。水平集法利用五阶WENO格式的有限差分进行离散,一维流场使用TVD-MacCormack法进行求解。耦合方法中考虑了药柱燃烧速率和喉部烧蚀对流场参数的影响。

结果与结论：

使用三维水平集耦合一维流场法可以准确高效地计算出药柱退移过程中的流场参数。为实际三维发动机整体工作过程仿真提供可行性实施方案。

关键词：瞬态可压缩流场求解器,固体火箭发动机内弹道仿真,水平集法,固体火箭发动机

     

具有消熔表面喷管壁温的有限元计算

固体火箭发动机的喷管与燃气接触的表面常常喷涂一层绝热材料,如氧化铝.在高温燃气的冲刷之下,这涂层往往受到不同程度的烧蚀,因此,该状态下的传热分析属于移动边界传热问题.本文针对这一事实建立了有限元计算模型,并获得了该状态下的喷管壁温以及涂层在不同时刻下的烧蚀厚度与烧蚀速率.     

摄像机主动位姿协同的人脸正视图像获取方法

为了主动调整摄像机的位置姿态以在物方空间降低由人脸旋转带来的影响,提出人脸-摄像机主动位姿协同方法. 利用工业摄像机与同步带类运动控制器搭建位姿协同环境,根据单像空间后方交会方法求解运动人脸姿态角和相对位置,计算人脸、摄像机和运动控制器各坐标系之间的映射关系,摄像机运动由相邻采样时刻摄像机相对位置和人脸姿态角计算得出的摄像机协同位姿控制,主动、实时地获取人脸正视图像. 实验表明,运动轴上的摄像机点位误差小于10 mm,取得的人脸正视图像提高了人脸纠正的精准度与鲁棒性.     

运动物体参数估计与跟踪的线对应新算法

在分析刚体平面运动前后对应直线参数关系的基础上,提出了用直线对应原理估计物体运动参数的新算法. 线对应法可以同时估计物体的平移和旋转参数,这一点是传统的点对应和其他方法难以实现的. 推导出对运动物体自动跟踪的迭代公式,在跟踪过程中用齐次坐标实现了坐标系转换和运动合成的一体化. 仿真实验证明,在大噪声环境下这一算法仍然可以获得相当精确的运动参数.     

喷管轴线、摆角等参数的红外光电探测

提出了一种基于多目视觉红外光电探测和圆锥曲面拟合的喷管轴线、摆角等参数估计方法.假定前端装有红外LED发光板和红外滤光片的4台高速相机实现了同步数据采集,且已完成标定.以红外反光标记球贴着喷管表面移动的大量三维坐标采样为基础,采用圆锥曲面拟合的方法求取喷管轴线的向量表示以及喷管圆锥曲面的虚拟顶点.通过喷管摆动的大量瞬时转轴拟合得到最小二乘意义上的摆动轴.将喷管轴线和摆动轴的公垂线与喷管轴线的交点作为摆心.喷管在摆动前后任意两时刻间的摆角可以用喷管上标记点的前后坐标到摆动轴的垂线向量的内积求得.摆角变化量除以时间间隔可得摆动角速度.摆动角速度的变化量除以时间间隔可得摆动角加速度.使用双轴摇摆-直线升降运动校准装置模拟喷管运动,摆心位移、摆角、摆动角速度和角加速度的测量误差分别为0.17mm、0.03°、0.12(°)/s、0.4(°)/s2.实验结果证明了算法的可行性.     

基于单目运动摄像机的三维物体运动参数估计

针对单目视觉监测系统摄像机和目标物体同时运动时,如何有效测量物体三维运动参数的难题,提出一种基于单目序列图像对插入虚拟视点的算法确定运动物体位姿及运动参数的方法。动摄像机连续采集运动物体的图像序列,根据摄影几何原理对摄像机和运动物体进行分析,结合本质矩阵的特性,估算空间物体运动参数。实验结果表明,该方法能够在为摄像机与目标物体同时运动的情况下,有效地估测出物体三维运动参数,且该方法简单有效,具有较高的精确度和准确性。     

Steady-state coupled analysis of flowfields and thermochemical erosion of C/C nozzles in hybrid rocket motors

A hybrid rocket can be used in various applications and is an attractive propulsion system.However,serious erosion of nozzles is common in motor firing operations,which could restrict the application of hybrid rocket motors.Usually,the serious erosion is attributed to the high concentration of oxidizing species in hybrid motors,while the details of flowfields in the motors are not paid special attention to.In this paper,first the thermochemical erosion of C/C nozzle is simulated coupled with the flowfields in a 98%H2O2/hydroxyl-terminated polybutadiene(HTPB)hybrid rocket motor.The simulation is made on a typical axisymmetric motor,including a pre-combustion chamber,an aft-combustion chamber and nozzle structures.Thermochemical reactions of H2O,CO2,OH,O and O2with C are taken into account.Second,the change of flowfields due to fuel regression during motor firing operations is considered.Nozzle erosion in different flowfields is evaluated.Third,the results of nozzle erosion in the coupled simulation are compared with those under uniform and chemical equilibrium flow and motor firing test results.The results of simulation and firing tests indicate that the thermochemical erosion of nozzles in hybrid motors should be calculated coupled with flowfields in the motor.In uniform and chemical equilibrium flowfields,the erosion rate is overestimated.The diffusion flame in hybrid motors protects the nozzle surface from the injected oxidizer and high temperature products in flowfields,leading to a relatively fuel-rich environment above the nozzle.The influence of OH and the geometry of motor should also be considered in the evaluation of nozzle erosion in hybrid motors.     

应用变化区域检测方法实现运动车辆分割

研究一种用于视频序列中运动车辆的提取方法,利用3帧对称差分的交集检测出视频帧中的运动区域,并利用2次横纵扫描方法,填充运动目标模板,最后将运动目标模板和当前帧逐像素点相乘,提取出运动目标。实验结果表明:该方法具有良好的分割效果。     

变质量挠性动力学普遍方程（二）

将固体燃料运载火箭视为时变边界的挠性体更能精确地刻划其动力学行为：燃料的射伴随着质量和边界的变化,而边界的时变特性决定了火箭的质心位置和转动惯量张量时变特性及与姿态运动强耦合作用。将挠性体与其外部的质量交换当做作用于时变边界上的表面力,采用连续介质力学中的平衡理论和分析力学中的变分原理对时变边界挠性体的动力学行为进行研究,建立了这类挠性体的动力学方程。将时变边界刚体作为时变边界挠性体的特例,列出了它的动量平衡律和动量矩平衡律,并得出如下结论：一般情况下挠性体的时变边界是难以确定的,因此必须对挠性体的时变边界作出某些简化才能得到其动力学问题的解。     

基于螺旋理论的钢带并联机器人力学特性数值分析

为了克服传统的并联机器人工作空间较小、奇异性与运动学正解分析复杂的缺点,拓宽并联机器人的应用领域,提出一种新型的六自由度钢带并联机器人机构形式.阐述了钢带并联机器人结构组成、工作原理、钢带运动副关键技术,并对不同结构的钢带进行了有限元分析,得到结构参数改变时钢带能承受的失稳力.基于螺旋理论建立了钢带并联机器人力学模型,对刚带并联机器人受力进行数值计算,得到钢带并联机器人不同位姿与结构对各钢带受力的影响规律,为优化钢带并联机器人的结构与运动参数提供理论依据.研究结果表明：弯曲截面结构的钢带承压能力较好,钢带失稳力随钢带圆弧截面中心角、钢带厚度增大而增大,随钢带长度增大而减少.其他结构参数一定,载荷力为400 N时,动平台外接圆半径为210 mm,动平台沿Z轴运动范围受卷筒装置中钢带长度的限制,沿Y轴运动范围为-745~680 mm,沿X轴运动范围为-675~675 mm,动平台绕Z轴旋转角度范围为-87 °~87 °,绕Y轴旋转角度范围为-77 °~77 °,绕X轴旋转角度范围为-90 °~66 °.     

二维运动平台的控制系统

利用单片机实现了一种货物的精确定点搬运,以及物体固定轨迹移动的控制系统。该系统采用AVR单片机作为二维物体运动平台控制系统的控制核心,利用高耐压大电流的达林顿芯片作为步进电机的驱动电路,结合软件控制步进电机的转向和转速,给予可靠的硬件设计和精确的软件算法实现了物体的定点运动控制和轨迹运动的设定。并且通过矩阵键盘和LCD液晶模块作为系统的输入和显示部分,实现了良好的人机交互。结合系统的开环式控制模式,该系统使用AVR内部自带存储步进电机运动参数,以实现对运动物体的准确定位和控制。     

波纹管机械密封运行问题的理论分析

描述离心泵装配运行误差对机械密封摩擦副所造成的影响，建立动环、静环和旋转轴３个三维坐标系统，惯性坐标取在转轴上；给出了密封面几何参数对应关系以及附加作用力和力矩；当考虑动环有轴向波动和静环弹性系统的关系时，推导了系统频率与波纹管合理压缩量的判别关系式；用实例说明泵运行出现抽空操作的端面比压计算以及密封参数的变化。     

一种改进的二值图像像素标记算法

像素标记算法是图像处理中提取目标特征量的一种有效方法．分析了一般像素标记算法的不足,提出一种改进的像素标记算法．该算法无需对图像进行预处理,针对二值图像中像素分布的特点,仅需对图像进行一次扫描,通过特殊的目标边界像素标记,就能收集足够的信息,经过一定的分析处理即可得到图像中目标的准确计数和边界信息．由于准确的目标计数是目标特征量提取的关键,在此基础上即可方便快捷地获得目标的面积、周长和质心坐标等参数,便于图像的后续处理．计算机模拟结果表明该算法具有很强的通用性,且因为仅需一遍全图扫描使其分析速度大大提高,可以广泛应用于图像分割领域．     

永磁同步电机参数测试系统的设计

永磁同步电机由电机控制器驱动,使其按照任意方向和速度运动。电机驱动器在驱动电机运行时需要根据电机的精确参数值进行计算,常用的参数有定子电阻、定子d轴电感、定子q轴电感等。本文设计了一种永磁同步电机参数测试系统,通过单片机的辨识算法来估算电机参数真实值,为电机驱动器的设计者提供了一种很好的辅助工具。     

泰曼-电视-微机系统自动实时测物体振幅

研究物作振动的报幅，通常用时间平均全名干涉水和频闪全总干涉术［1］。但全息干涉图的处理并非容易，且主要适于物体作简谐振动。对随机振机物体的振幅测定，研究文献甚少。本文提出一种新的方法，把泰曼干涉仪与CCD摄相机（或电视摄相机）和微机结合起来，组成泰曼－电视－微机系统。利用该系统可以自动实时测量随机振动物体的振幅和位相，解决随机振动物体的测量问题。     

一种MPEG-4视频流的运动目标检测算法

为了同时提高MPEG-4视频流中运动目标检测的精度和速度,利用MPEG中已有的运动信息——离散余弦系数和运动矢量,提出了一种用于视频中运动目标检测的算法．该算法首先从MPEG-4压缩流中获取运动矢量,由运动矢量标识出运动区域,在标识出的运动区域上取离散余弦系数并求互帧差的四阶矩得到运动宏块,最后通过区域生长得到运动目标．该算法充分利用了MPEG-4码流中蕴含的运动信息,避免了仅由运动矢量检测运动目标时误差太大的缺点,也避免了计算全部离散余弦系数时的大量加乘法运算,从而可以实时地对视频流中的运动目标进行跟踪．     

一种基于改进运动估计的电子稳像技术

在摄像机载体运动过程中会造成图像序列的不稳定,从而产生观察者的视觉疲劳甚至会丢失观察目标,电子稳像是解决以上问题的有效手段。电子稳像首先对全局运动进行估计,求出参考帧和当前帧图像的全局运动矢量。本文先取视频序列相邻两帧图像的子图像进行块匹配得出局部运动矢量,根据计算得到的运动矢量弧度值剔除错误的运动矢量,然后对剩余的运动矢量求平均值作为此区域的运动矢量,并把与此矢量弧度相近的块的中心点作为特征点,利用仿射变换模型求解出变换参数,最后经过运动补偿技术去除视频抖动。实验结果表明,该方法可以有效地抑制帧间的平移和旋转等抖动,达到了预期的效果。     

双摄像机结构光三维测量系统自标定方法

针对双摄像机与投影仪结构光三维测量系统的标定问题,提出了极线约束条件下的自标定方法．依据极线约束理论,通过标定物上特征点与对应双摄像机的两个像点确定极线方程,建立了两个摄像机之间的平移和旋转关系矩阵．将多编码周期三角形灰度分布图案投射到标定物,获取特征点在投影仪上对应点的坐标,采用改进8点法建立投影仪与双摄像机关系矩阵的两个估计矩阵,利用对极距离为目标函数进行估计矩阵优化,得到双摄像机和投影仪的参数矩阵．采用该系统对平面和人脸进行了三维测量实验,结果表明平面测量的最大绝对误差不大于1．7mm,相对误差不大于0．18％,表明了该三维测量系统自标定方法的有效性．     

运动物体仿真中的碰撞检测研究

针对运动物体仿真中碰撞检测的实际需要,对运动物体与地面的碰撞检测和运动物体与地面上其他物体的碰撞检测进行了研究,对方向包围盒（OBB）碰撞检测算法进行了设计,使VegaPrime中的碰撞检测由单一的线段变成了完整的三维物体。试验结果表明,通过对比例参数的控制,能产生具有预警机制或碰撞容忍度的碰撞检测包围盒。     

A new transient energy function

Starting from normalized generators' equations of rotor motion with respect to the center of inertia of power systems, post-fault power system dynamic is analogized as a motion of a particle with 1.0 mass in an n-dimensional Euclidean space. A rotational coordinate axis is defined for the moving particle. Transient stability of a multi-machine power system is transformed into a simple one-dimensional motion of particle on the axis. Based upon the above new idea, a new concept transient energy function (NCTEF) is proposed for transient stability assessment of power systems. Case studies on the 10-generator New England power system verified the rationality of NCTEF.