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基于流场仿真的某型涡轮叶片的表面微结构分析

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导弹与航天运载技术（中英文） 2024年第2期 32-41页

作者：刘士杰李伟王慧梁国柱北京航天动力研究所低温液体推进技术实验室北京100076 北京航天动力研究所北京100076 北京航空航天大学宇航学院北京102206

利用流场仿真和扫描电子显微镜观测的方法,对某型涡轮叶片工作前后的表面微形貌进行了分析,研究了高温高压环境对叶片表面形貌变化的影响。首先为了提高计算效率,根据叶片形式,建立了涡轮叶片流场的周期性对称CFD模型,并利用有限体积法... 详细信息

利用流场仿真和扫描电子显微镜观测的方法,对某型涡轮叶片工作前后的表面微形貌进行了分析,研究了高温高压环境对叶片表面形貌变化的影响。首先为了提高计算效率,根据叶片形式,建立了涡轮叶片流场的周期性对称CFD模型,并利用有限体积法对流场的温度和压力进行计算分析;然后利用扫描电镜对工作叶片的表面形貌进行观测,分析叶片表面微缺陷形式;最后根据仿真与试验观测结果,分析了叶片缺陷产生的原因和影响叶片表面微结构变化的因素。结果表明:叶片前缘温度达到最高的860K,在几何结构和波系的共同作用下,叶片前后缘、叶尖、叶根附近流场流动特性复杂,流道内温度和压力分布不均匀;叶片后缘根部出现长约180μm的穿晶/沿晶混合模式的微裂纹,后缘叶尖处有长约30μm的夹杂物裂纹出现,这是叶片热应力、叶片表面金相转变、氧化、氢脆等共同作用的结果;应根据涡轮泵的实际任务情况对涡轮泵地面热试车程序进行合理的安排,尤其在关机阶段要考虑是否对涡轮叶片的冷却采取大气环境隔离措施。研究可为液体火箭发动机涡轮叶片寿命评估提供参考。

关键词：涡轮叶片扫描电镜表面形貌工作寿命流场仿真

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吸气式旋转爆震发动机进气段流动特性研究

航空学报 2024年

作者：李冬张义宁凌文辉梁国柱孟皓北京航空航天大学宇航学院北京动力机械研究所

为了分析吸气式旋转爆震发动机燃烧室内非定常高压脉动对进气段内流动特征的反向影响，指导进气段设计，考虑进气段出口压力的时空特征，采用三维非定常数值方法对进气段内的流动过程和运动激波传播过程进行了数值模拟。根据计算结果，... 详细信息

为了分析吸气式旋转爆震发动机燃烧室内非定常高压脉动对进气段内流动特征的反向影响，指导进气段设计，考虑进气段出口压力的时空特征，采用三维非定常数值方法对进气段内的流动过程和运动激波传播过程进行了数值模拟。根据计算结果，分析了运动激波的形状特征、传播速度及压力等关键参数变化过程，得到了流动损失和进气段出口脉动反压的传播角频率、峰值以及时均值对流动特征的影响规律。运动激波作用导致进气段内呈现低压气流增压减速和高压气流减压加速的流动特征，相比于定常反压，脉动反压的影响边界更靠上游；角频率越高，则周向长度越长、振荡区域宽度越窄，气流经激波作用次数越多，但不同角频率下出口气流的平均总压损失基本维持不变；保持角频率12000 rad/s和时均压力比19.1不变，峰值压力在0.5～1 MPa范围时，出口平均总压损失在43%～46%范围；保持角频率12000 rad/s和峰值压力比49.5不变，时均压力由0.22 MPa增至0.32 MPa，出口平均总压损失由52%降至40%，相比于定常反压作用下的总压损失大2%～8%。研究表明：非定常脉动反压作用下吸气式旋转爆震发动机进气段内流动特征与传统进气段存在较大差距，进气段的流动损失更大且激波影响位置更靠近上游。

关键词：吸气式非定常脉动反压进气段运动激波流动损失

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液体火箭注气式蓄压器流动阻尼理论模型

北京航空航天大学学报 2024年

作者：史童何允钦梁国柱潘辉朱平平北京航空航天大学宇航学院北京宇航系统工程研究所

运载火箭纵向振动稳定性分析过程中，需要进行增压输送系统的管道动力学分析。蓄压器是增压输送系统中的重要部件，也是管道动力学分析中的关键一环，其流动阻尼计算方法直接影响到输送系统动力学分析的准确性。目前常用的方法是忽略推... 详细信息

运载火箭纵向振动稳定性分析过程中，需要进行增压输送系统的管道动力学分析。蓄压器是增压输送系统中的重要部件，也是管道动力学分析中的关键一环，其流动阻尼计算方法直接影响到输送系统动力学分析的准确性。目前常用的方法是忽略推进剂供应主管内流体流动的影响，采用孔板流动模型分析蓄压器流动阻尼，但有研究证明这一方法存在较大偏差。本文通过引入连通孔流动模型，推导出了考虑推进剂供应主管内流体垂直流动影响的蓄压器非线性阻尼理论计算式；然后针对某蓄压器通过稳态数值仿真进行验证，结果表明本文提出的计算方法能够显著地提高预测精度，对所研究的不同工况偏差在10%以内，而基于孔板流动模型的预测结果偏差超过30%；在此基础上进一步推导了准稳态条件下的蓄压器线性阻尼理论计算式并绘制了线性阻尼曲线，发现蓄压器线性阻尼有最小值，其大小与连通孔总通流面积和主管内推进剂流速相关。

关键词：液体火箭增压输送系统注气式蓄压器流动阻尼连通孔

液体火箭发动机地面试验控制电路的设计与分析

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北京航空航天大学学报 2024年第7期 2245-2255页

作者：徐勇郭红杰超力德黄俊杰梁国柱北京航空航天大学宇航学院

针对液体火箭发动机地面试验控制系统须抑制控制电路输入端的脉冲噪声、输出端的反峰电压及控制电流测量精度低等问题，运用放大电路原理，采用电路仿真方法，设计了基于电路印制板型固态继电器的控制驱动和控制电流测量电路。控制驱动... 详细信息

针对液体火箭发动机地面试验控制系统须抑制控制电路输入端的脉冲噪声、输出端的反峰电压及控制电流测量精度低等问题，运用放大电路原理，采用电路仿真方法，设计了基于电路印制板型固态继电器的控制驱动和控制电流测量电路。控制驱动电路应用“二极管+稳压二极管”模块以实现降低反峰电压和缩短复位时间的效果，控制驱动电路中固态继电器输出端集成了光耦隔离模块用于反馈控制信号，控制电流测量电路主要由霍尔效应电流感应模块和运算放大器构成以达到较高精度测量控制电流的目的。通过电路仿真，分析了控制驱动电路的反峰电压抑制模块、控制电流测量电路的动静态特性。仿真和实测结果表明：控制电流测量电路的基本误差为6.66%±1.80%，电路上升时间小于0.3 ms，下降时间小于0.5 ms；控制驱动电路的接通时间小于2μs，关断时间小于0.5 ms，“标准恢复二极管+齐纳二极管”方法能有效抑制反峰电压；控制驱动电路可应用于液体火箭发动机高精度的地面试验控制系统研制。

关键词：地面试验控制电路固态继电器电流测量霍尔效应液体火箭发动机

固体火箭发动机点火装置方案设计通用算法模块研究

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火工品 2024年第2期 19-25页

作者：刘昱涵李文韬梁国柱北京航空航天大学宇航学院北京102206

为解决现有点火装置设计“系统研究少、设计经验性强、方案通用性差”的问题,对不同类型点火装置的方案设计过程进行了系统性分析,提出了点火装置方案设计的通用设计方法及流程,在此基础上采用面向对象技术开发相应的通用算法模块,包含... 详细信息

为解决现有点火装置设计“系统研究少、设计经验性强、方案通用性差”的问题,对不同类型点火装置的方案设计过程进行了系统性分析,提出了点火装置方案设计的通用设计方法及流程,在此基础上采用面向对象技术开发相应的通用算法模块,包含所需要的数据字典以及专业算法的实现。完成5种类型点火装置方案设计全过程,获得方案设计的结构参数与性能参数,同时基于Creo实现了参数化三维模装设计快速建模。该通用算法模块不仅可以独立运行,也可集成至有关的固体火箭发动机总体方案设计系统软件中。利用所开发的算法模块对FG-02固体火箭发动机点火装置以及常见的管式点火装置方案进行案例设计,结果表明所建立的点火装置方案设计流程及开发的通用算法模块具有较好的适应性,提高了设计效率和经济性,可为点火装置的方案论证和初步工程设计提供支持。

关键词：固体火箭发动机点火装置方案设计算法模块

固体火箭发动机三维装药的逆向设计与形状优化

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航空学报 2024年第11期 203-221页

作者：李文韬何允钦李文博张艺仪梁国柱北京航空航天大学宇航学院清华大学航天航空学院

固体火箭发动机装药逆向设计是指寻求最优的装药形状以匹配给定的内弹道性能曲线，可用于指导新型装药的设计。装药逆向设计正从尺寸优化阶段迈向形状优化与拓扑优化阶段。形状优化问题往往自由度大且高度非线性，这就对燃面退移的计算... 详细信息

固体火箭发动机装药逆向设计是指寻求最优的装药形状以匹配给定的内弹道性能曲线，可用于指导新型装药的设计。装药逆向设计正从尺寸优化阶段迈向形状优化与拓扑优化阶段。形状优化问题往往自由度大且高度非线性，这就对燃面退移的计算效率提出了极高的要求，而现有的椭圆算法难以满足需要。为此有必要开发燃面退移的高效椭圆算法，并将其应用于三维装药的逆向设计。首先，将程函方程线性化，推导出亥姆霍兹方程和泊松方程，形成了一系列求解燃面退移的快速热传导（Fast Heat Conduction,FHC）方法。其中f-FHC方法采用空腔体积分数分布来描述不规则装药，使用LDL分解法求解线性方程组，实现了“一次分解，处处回代”，显著提高了计算效率。然后，系统地分析了三维装药逆向设计的关键问题，包括目标函数的选取、待优化自变量的取值范围、孤立孔洞识别、浇铸工艺性要求等。运用进化神经网络方法开发了装药逆向智能设计（Grain Reverse and Intelligent Design,GRID）系统。计算结果表明，fFHC方法可以将三维装药燃面退移的计算时间缩短至1 s以内。以双推力装药的燃面变化规律或内弹道性能曲线为目标，GRID系统成功设计出含有复杂三维内孔的新型装药。所得装药符合浇铸工艺条件，芯模可采用3D打印工艺制造。所提出的算法和开发的软件系统可以为新型装药的设计提供支撑。

关键词：固体火箭发动机装药逆向设计形状优化拓扑优化燃面退移程函方程进化神经网络

短时大流量蒸汽引射用供汽系统方案设计与验证

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火箭推进 2024年第2期50卷 140-150页

作者：夏爽朱昊伟超力德徐勇何勇梁国柱北京航空航天大学宇航学院北京102206 北京航天试验技术研究所北京100074 贵州航天朝阳科技有限责任公司贵州遵义563000

针对短时间大流量蒸汽引射系统的用汽需求,采用锅炉-蓄热器式供汽系统方案并进行该系统的方案设计和验证试验。从供汽系统组成和工作原理出发,结合引射用汽要求,进行系统性能、结构与测控方案设计。系统性能与结构方案设计包括热力计算... 详细信息

针对短时间大流量蒸汽引射系统的用汽需求,采用锅炉-蓄热器式供汽系统方案并进行该系统的方案设计和验证试验。从供汽系统组成和工作原理出发,结合引射用汽要求,进行系统性能、结构与测控方案设计。系统性能与结构方案设计包括热力计算、结构选型和蒸汽管道设计,通过热力计算得到充放汽压力、蓄热器体积和蓄热量等参数,结合理论计算和规范系列进行锅炉和蓄热器结构选型,通过充放汽原理和现场情况进行蒸汽管道的布局、尺寸和压降设计计算;系统测控方案设计部分包括功能分析及方案选择、测点布置、阀门选型。以某液体发动机高空模拟试验台蒸汽引射用锅炉-蓄热器式供汽系统(用汽时间不大于300 s,最大蒸汽流量为94 t/h,用汽压力为0.8 MPa)为案例进行方案设计,通过试验验证了系统的工作性能良好。研究结果可为类似工况下锅炉-蓄热器式供汽系统的方案设计提供参考。

关键词：蒸汽引射锅炉蓄热器供汽系统高空模拟试验

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某光伏电站发电量波动与偏离特性研究

能源与环境 2024年第1期 77-80页

作者：刘彦鹏张鹏詹爽梁国柱刘志英洪春雪大唐海南能源开发有限公司海南海口570100 大唐海南文昌新能源有限公司海南文昌571353 华北电力大学北京102206

分析光伏电站实际发电量与模拟发电量的偏差,为光伏电站优化提供理论支持。使用PVsyst软件模拟计算某光伏系统发电量,采用波动率衡量不同月份下实测发电量的变化,根据偏离率判别发电量理论值和实测值的差别。结果表明,不同倾角下,光伏... 详细信息

分析光伏电站实际发电量与模拟发电量的偏差,为光伏电站优化提供理论支持。使用PVsyst软件模拟计算某光伏系统发电量,采用波动率衡量不同月份下实测发电量的变化,根据偏离率判别发电量理论值和实测值的差别。结果表明,不同倾角下,光伏发电年利用小时数模拟值先增后减;18°倾角工况下,光伏发电月利用小时数模拟值波动率在4.36%~24.16%之间。光伏组串总利用小时数实测值平均值为978.96 h,光伏阵列发电月利用小时数偏离度分布范围在8.68%~23.83%,4月偏离度最大,为41.12%。准确把握光伏系统利用小时数理论值与实测值的偏离率及波动率,有利于光伏电站的优化。

关键词：光伏发电偏离度波动率

微通道内低马赫数气体的流动与换热特性理论研究

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推进技术 2022年第5期43卷 216-227页

作者：王子豪梁国柱北京航空航天大学宇航学院北京102206

微通道换热器由于换热系数高、质量小等优点,在微电子系统与航空航天等领域具有极大的应用价值,但截至目前人们对微通道内流体的流动与换热特性仍知之甚少。本文针对平行平板式微通道,在连续介质区、低马赫数以及粘性热可忽略的情形下,... 详细信息

微通道换热器由于换热系数高、质量小等优点,在微电子系统与航空航天等领域具有极大的应用价值,但截至目前人们对微通道内流体的流动与换热特性仍知之甚少。本文针对平行平板式微通道,在连续介质区、低马赫数以及粘性热可忽略的情形下,采用分离变量法导出并简化了均匀热流边界条件下变物性气体的二维层流流动与换热过程的控制方程,进而计算得到了气体速度、压力、温度在通道内的分布规律,上述计算结果与对原始控制方程进行高精度直接数值求解的结果之间具有较好的一致性。研究结果表明:当马赫数小于0.3时,微通道的尺寸效应使得任一横截面上变物性气体的流动和换热参数分布与常物性下的分布存在相似性,气体密度沿通道长度方向的变化不对摩擦系数和努塞尔数的沿程分布造成显著影响;在给定通道结构和进出口参数的情况下,通道内气体密度的减小和流速的增大不能提高对流换热系数,对流换热系数可通过经典理论予以计算;相比常规尺寸通道,微通道内气体的加速过程更加显著,粘性切应力对加速过程起主导作用,并随马赫数的增大而增大;摩擦损失是气体在微通道内损失的主要部分。相关工作可为微通道换热器设计与高马赫数下流动特征的研究提供参考。

关键词：微通道流动换热分离变量法有限体积法