基于阻力分解方法的气动特性及优化设计研究

在气动外形设计研究中,设计构型的阻力预测一直以来都是一项极具挑战的任务,而对于越来越复杂的构型而言,更是希望能够得到高准确度和高可信度的阻力数值结果。为了能够实现更加高精确度的阻力预测方法,并有针对性地开展气动外形设计研究,首先对比和分析了近场法和远场法进行阻力预测的特点,并提炼出现有主流的几种远场法关于轴向速度损失量(axial velocity defect)公式的优劣势和差异,进而提出了关于轴向速度损失量的改进方法,建立了改进的基于远场法的阻力预测方法和阻力分解方法。其次,在阻力分解方法建立的过程中,由于需要对阻力区域的选择划分进行判断和决定,因此开展了相关参数敏感性的讨论分析。然后,基于构造的阻力分解方法,针对Common Research Model(CRM)翼身组合体构型开展了气动特性研究,结果表明文中的方法不仅可以充分保证力系数的预测精度,还可有效分析不同阻力分量及其对总阻力的影响和具体的贡献占比。最后,将改进的阻力分解方法融入基于梯度的气动外形优化设计系统,针对CRM构型进行了气动外形优化设计,优化结果不仅可通过阻力区域识别函数直观感受阻力分量可视化区域的详细变化情况,还可更加精确地得到优化构型去除伪阻力以后的总阻力与升阻比。     

非对称伞面外形优异抗风性的机制分析

为比较传统伞面与非对称伞面的外形对气动特性和抵御强风的影响,应用工程学和流体力学,对上述2种伞面外部流场进行仿真分析,并建立人持伞的力学模型,将模型分析所得数据与相关的风洞实验结果对比分析。对比结果显示,其仿真及理论分析与相关实验曲线趋势较为吻合。仿真结果表明,非对称伞面较传统伞面,有更小的风阻系数和升力系数,从而减小了阻力和升力。而理论分析结果表明,非对称伞面的外形设计,减小了持伞的平衡力矩和合力,从而大幅提高人在强风中持伞的的稳定性。     

潮流水轮机导流罩的水动力设计

为了提高潮流水轮机的效率,参照风力机扩散器原理设计了一种适用于竖轴直叶片水轮机的导流罩.主要考虑潮流工作流场对称性的特点,提出了二大类型6种导流罩设计模型方案;应用Fluent软件进行水动力性能计算,确定流速大,阻力小的S3为最优型线;在导流罩出口位置增加对称的扩张门,可以进一步提高导流罩内流场的流速和稳定性;模型实验验证了S3型导流罩设计模型的有效性,加导流罩后轮机功率系数曲线整体上升,峰值可提高39%.该设计研究为导流增强型潮流水轮机的研究和实践提供了理论基础.     

履带车辆静液驱动系统的直驶裕度设计

以某静液驱动高速履带车辆为研究对象,通过引入爬坡裕度系数和速度裕度系数表征静液驱动履带车辆爬坡、最大车速等直驶工作能力。系数大小体现了系统克服动态冲击和工况适应能力的强弱,适宜的系数设置可以指导履带车辆静液驱动系统的设计。研究表明:在良好路面(如沙石土路)上爬坡裕度系数取值不小于1.07,速度裕度系数取值为1.67～1.88时可以基本满足车辆的直驶需求。     

基于参数化的水下航行器外形稳健性优化

为提高设计方案的稳健性和设计效率,本文将参数化设计和稳健性引入到某型水下航行器外形设计中。在设计了水下航行器阻力参数化分析流程的基础上,采用最优拉丁超立方法选取样本点进行阻力计算,利用响应面模型对样本点进行拟合,得到精度满足工程需要的艇体阻力近似模型。建立了水下航行器外形多目标优化模型,采用NSGA-Ⅲ多目标优化算法进行确定性多目标优化求解。在考虑了外形设计过程中典型制造误差的基础上,开展外形稳健性优化求解。结果表明:稳健性优化与确定性优化相比,艇体阻力上升了12.34%,总包络体体积增加了51.98%,提高了水下航行器的稳健性。     

一种有效的中性浮力下实验体姿态机动模拟控制律设计

在空间微重力环境的地面模拟技术中,中性浮力法利用水的浮力使实验体处于漂浮状态,可以提供六自由度运动模拟,并且可进行长时间的与空间十分相似的自由运动。因此可以采用该方法实现空间飞行器空间任务的地面模拟演示和功能验证。姿态控制作为空间任务的基本操作之一,其在中性浮力实验环境下的控制模拟非常重要,需要针对复杂的水下环境进行设计。目前针对水下航行器的研究非常广泛,但是专门针对中性浮力环境下空间任务模拟的研究并不多,缺少理论验证与仿真。本文针对中性浮力环境下实验体姿态机动模拟控制律设计问题进行研究。首先根据流体力学和动量矩定理推导出实验体的姿态动力学方程,根据四元数与角速度的关系得到实验体的姿态运动学方程;然后在理想状态下基于动力学方程,使用Lyapunov方法设计实验体的姿态机动模拟控制律,并证明了闭环系统的渐进稳定性;最后通过仿真验证了控制算法的性能,为中性浮力环境下实验体姿态机动模拟提供理论基础。     

基于双折减系数法的楔形体稳定性分析

为了研究抗剪强度参数对楔形体边坡稳定性的影响,基于Hoek等提出的楔形体极限平衡法,对楔形体进行双折减系数法分析,提出了折减系数增幅比,分析了内摩擦角和黏聚力对楔形体稳定性的影响程度.利用可靠度理论,将黏聚力和内摩擦角的方差作为单一变量,分析参数的方差对可靠性指标的影响,验证了双折减系数法的可靠性.运用双折减系数法对比分析了5种不同高度和不同容重的楔形体稳定性.结果表明:内摩擦角对坡体稳定性的影响程度要比黏聚力大,内摩擦角对坡体的稳定性起着决定性作用,因此可以将双参数折减分析中内摩擦角的折减系数值作为楔形体的稳定性系数.     

混合物沸腾传热研究

对乙二醇－水、乙醇－水、丙醇－乙醇几种二元混合物进行了池式沸腾传热实验,实验结果表明：这些二元混合物池式沸腾传热膜系数较其纯组分的低。并在此基础上对二元混合物沸腾传热机理进行了探讨。     

船舶静水航行水动力模型的简化及其应用

针对现有船舶水动力模型考虑因素多、通用性差的缺点,通过简化船体线形、忽略波浪和风向等复杂因素的影响,对船舶水动力模型进行研究。推导静水面船体的迎流区域范围,计算水流作用在船体微小面元上的动压力,得出整船水流总阻力计算模型。在此基础上,给出船体航行动力学模型,分析船舶在静水面航行中动力、水阻力和运动状态之间的关系。将该水动力模型应用于船舶稳定航行控制,结果表明模型具有较好的实用性。     

全海深AUV上浮运动稳定性分析

针对现有的水下机器人的运动稳定性分析仅局限于定深直航的现象,本文对全海深AUV上浮运动稳定性进行研究,研究内容对机器人的稳定性判别和相应的机器人水动力型体设计以及运动控制策略设计具有重要意义。论文根据古尔维茨判别法的思想推导了全海深AUV从水面下潜至工作深度以及从工作深度上浮至水面的运动稳定性判定公式,通过计算一台全海深AUV的水动力系数,利用所推导的稳定性判定公式,对该台水下机器人的运动稳定性进行评判,结果表明该水下机器人的稳定性符合设计要求,全海深AUV在上浮过程中具有良好的动稳定性。     

一种翼艇式飞行器方案研究

文章提出了一种翼艇式飞行器方案,较好地解决了以低速在临近空间飞行的两个关键问题:①如何利用临近空间稀薄空气产生升力克服飞行器重量;②如何有效利用有限太阳能产生飞行器长时间飞行的动力。该飞行器采用了升浮一体飞行原理和昼夜节能运行模式,将夜间储能锂电池的重量大幅度减小,比临近空间飞艇的体积缩小一半左右,飞行速度有较大提高,对于有速度要求的任务载荷(如SAR)来说更适合。文中还建立了翼艇式飞行器的总体参数优化模型,并采用NSGAII得到了多种满足设计要求翼艇式方案,选择了非劣前沿解集中柺折处方案。将该优化模型和方法得到临近空间飞艇方案总体参数与洛马公司公布的高空飞艇总体参数进行了比较,结果较为接近,表明该优化模型和方法的准确性,对低速临近空间飞行器设计有一定的参考价值。     

射流噪声抑制的数值方法——共轴射流的研究

由于喷气飞机中发动机产生的气动噪声是飞行时的主要噪音之一,因此射流噪声的研究具有重要的意义。文章结合CFD技术与气动噪声时域理论求解共轴喷管的射流噪声。首先采用雷诺平均N-S方程求解器对射流的三维流场进行了数值模拟。通过数值模拟,得到了共轴喷管马赫数为0.75的流场特性。然后结合lighthill声比拟理论研究了流场产生的气动噪声。结果发现,由于次级流对主流的影响,导致射流流场结构改变,剪切层内的大尺度涡减小,与常规单喷管射流噪声相比共轴射流有所改善,特别是在高频段喷流噪声有明显减小。     

通气量突变对通气超空泡形态影响的试验研究

为研究通气流量突变对超空泡形态的影响,在高速水洞实验室进行了系列通气超空泡生成、维持和通气流量突变对空泡形态的试验研究。结果表明:①生成超空泡的通气流量与维持相应空泡形态的通气流量相差很大,此次研究所用模型生成空泡所需最小通气量是维持空泡所需最小通气量的2.616倍左右。②超空泡生成后,通气流量的突变对空泡形态、泄气方式和稳定性均有重要影响。文章研究结论可为进一步研究超空化的工程应用提供参考。     

高空低雷诺数二维抗分离叶型研究

在高空、低速、低雷诺数下,进行具有较强抗分离能力的新叶型研究,探索叶型设计的新概念和新方法,并发展相应的低雷诺数压气机叶片二维设计技术是十分关键的。文中进行了低雷诺数条件下二维压气机叶栅流场计算与对比,在探索高空、低速、低雷诺数对压气机叶型性能影响的基础上,以发展适应低雷诺数流动,具有较强抗分离能力的新叶型为最终目标,进行叶型设计新理论和新方法的探索,为最终突破低雷诺数下叶型设计的关键技术提供了可行的途径,并为三维叶片优化造型打下了基础。     

一种考虑纤维束交叉起伏时缠绕复合材料刚度的计算方法

纤维缠绕过程会在局部区域形成纤维束的起伏、交织,文章针对起伏区域纤维束的非正交性交织的特点,提出一种缠绕复合材料刚度的计算方法。通过算例,给出了起伏区域内有效刚度矩阵、缠绕复合材料壳体等效刚度的计算步骤。采用该计算方法,讨论了不同缠绕角及不同缠绕顺序对缠绕复合材料刚度的影响。结果表明,考虑纤维束的起伏、交织之后,缠绕复合材料壳体的刚度发生改变,特别是耦合刚度的变化更明显;缠绕角和缠绕顺序对拉伸刚度A和弯曲刚度D的影响不大,但对耦合刚度B的影响明显。     

高频脉冲爆震火箭发动机的试验研究

文章采取了一些提高脉冲爆震火箭发动机工作频率的措施,并在脉冲爆震火箭发动机模型上进行了一系列试验研究。试验中对脉冲爆震火箭发动机模型的推力和沿程压力进行了测量,为了提高推力测量的准确性,该研究对推力测量系统进行原位校准。试验结果表明,该模型的工作频率能够达到40 Hz,校准后的推力测量结果接近理论推力。工作频率为35 Hz时,爆震压力峰值超过3.4MPa,该模型校准后的时均推力为43.9 N。工作频率为40 Hz时,爆震压力峰值3.2 MPa,该模型校准后的时均推力为50 N。     

固体火箭发动机集成初步设计CAD系统研究

系统论述固体火箭发动机设计的特征后,构造了发动机CAD系统框架,并对该系统的主要组成模块的设计进行了有效的探索,加速了CAD技术在固体火箭发动机设计中的应用。已成功地研制了系统的几个重要模块,在工程中得到了应用,并提出了可行的深入研究方案。研究结果可为固体火箭发动机CAD系统研制提供重要的技术参考。     

载人登月舱动力下降段应急返回轨道设计

文章主要研究载人登月舱动力下降段应急返回轨道设计问题。针对应急返回对等待时间的需求,改进了同心椭圆返回轨道方案。将显式制导法应用于应急返回上升段控制中,充分利用了登月舱的剩余速度,得到了满足要求的入轨精度。根据仿真结果确定了利用下降级推力器完成上升段应急返回的准则。在上升段仿真的基础上设计了跟踪段过渡椭圆轨道,显著缩短了登月舱在停泊轨道的等待时间。文中的方法和结论可以为载人登月工程应急返回提供一定的参考价值。     

大小叶片斜流压气机级性能和流场的数值模拟研究

文章以某高压比斜流压气机级为研究对象,开展三维定常数值模拟研究,初步获取了压气机级性能和流场结构,并与试验结果进行了对比。结果表明,计算总体性能与试验存在一定的差距,计算的流量-压比曲线比试验值向右和向上移动,流量-效率曲线比试验值向右和略微向上移动。对于斜流叶轮,两个叶片通道出口靠近机匣区域均存在低速流团,通道1中低速流团主要由附面层低能流团在哥氏力作用下堆积而成,通道2中的低速流团主要由叶尖间隙泄漏形成。对于文中计算斜流压气机,通道1中的低速流团对诱发流动失稳起主要作用。     

二维接触问题的无网格伽辽金-有限元耦合方法

研究了二维接触问题的无网格伽辽金-有限元耦合方法。给出了接触问题的数学模型，对其中的线性规划法进行深入分析，并将它与无网格伽辽金-有限元耦合方法结合求解接触问题。通过编程对光滑表面圆柱体与刚性平面的弹性接触问题以及粗糙表面与刚性平面的弹性-理想塑性接触进行求解，在对无网格区域相关参数研究的基础上，指出了用无网格伽辽金-有限元方法求解接触问题时的合理参数范围。