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燃面突变脉冲触发固体火箭发动机不稳定燃烧的数值模拟

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固体火箭技术 2025年

作者：魏家琛范文琦王兵清华大学航天航空学院

为研究固体火箭发动机燃烧不稳定的触发和驱动机制，基于复合推进剂非均质燃烧特性提出了一种燃面突变脉冲触发不稳定燃烧的物理机制猜想，建立了基于压强耦合响应函数的推进剂燃面质量流率数值模型以及燃面突变脉冲等效数值模型，开展... 详细信息

为研究固体火箭发动机燃烧不稳定的触发和驱动机制，基于复合推进剂非均质燃烧特性提出了一种燃面突变脉冲触发不稳定燃烧的物理机制猜想，建立了基于压强耦合响应函数的推进剂燃面质量流率数值模型以及燃面突变脉冲等效数值模型，开展了由燃面突变脉冲触发固体火箭发动机不稳定燃烧的数值模拟研究。结果表明，针对所研究的发动机和推进剂装药模型，燃面突变脉冲触发了不稳定燃烧现象，在燃烧室内形成以一阶轴向振型为主的压强振荡；压强耦合响应函数和压强指数两个推进剂参数对不稳定燃烧的影响显著，降低这两个参数值均可有效抑制不稳定燃烧现象；燃面突变脉冲的产生概率和强度的增大会明显缩短压强振荡到达极限环的时间；推进剂中的铝（Al）粉对不稳定燃烧中的粒子阻尼作用影响显著。数值模拟结果验证了所提出的物理机制猜想，并基于此提出了抑制不稳定燃烧的可行方法。

关键词：固体火箭发动机复合推进剂燃面突变脉冲不稳定燃烧数值模拟

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不稳定大气飞机尾涡演化分析与预测研究

空气动力学学报 2025年第01期43卷 105-120页

作者：李瑞鑫许春晓黄伟希赵立豪崔桂香清华大学航天航空学院

飞机起降过程中产生的尾涡会对后机安全性造成影响，因此飞机间需要保持一定的安全间隔，而缩短尾流间隔是提高机场起降能力的关键。本文利用大涡模拟方法与自适应网格技术，对不稳定大气不同高度范围的尾涡演化进行了研究，考虑了阵风... 详细信息

飞机起降过程中产生的尾涡会对后机安全性造成影响，因此飞机间需要保持一定的安全间隔，而缩短尾流间隔是提高机场起降能力的关键。本文利用大涡模拟方法与自适应网格技术，对不稳定大气不同高度范围的尾涡演化进行了研究，考虑了阵风和稳定度对尾涡演化的影响，发现大逆风和强不稳定大气中尾涡耗散更快。在此基础上针对近地面以风速和稳定度为参数建立大涡模拟数据库；将现有高空模型拓展到不稳定大气并引入湍动能的影响，提高了预测精度；对衔接过渡区域提出了相应的预测方案，且该方法适用于任何稳定度条件。尾涡环量演化可以直接采用近地数据库数据，而尾涡高度演化需要进行额外的修正。

关键词：尾涡大涡模拟大气稳定度环量预测模型

燃料最优小推力轨迹平滑化求解方法的平滑参数上限分析

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中国科学:物理学、力学、天文学 2025年第2期55卷 83-92页

作者：郭祥武迪蒋方华清华大学航天航空学院北京100084

燃料最优小推力轨迹的最优控制律具有Bang-Bang特性,导致轨迹优化问题的数值敏感性强且收敛困难.平滑化方法通过引入平滑参数,用连续的最优控制律近似Bang-Bang控制,提高了轨迹优化问题的收敛概率.通过数值延拓的方法将平滑参数从一个... 详细信息

燃料最优小推力轨迹的最优控制律具有Bang-Bang特性,导致轨迹优化问题的数值敏感性强且收敛困难.平滑化方法通过引入平滑参数,用连续的最优控制律近似Bang-Bang控制,提高了轨迹优化问题的收敛概率.通过数值延拓的方法将平滑参数从一个较大的正值逐渐减小到0,即可迭代得到原问题的燃料最优解.然而,在某些情况下,当平滑参数的起始值超过某个上限时,对应问题无法获得收敛解,导致后续的数值延拓过程无法进行.针对这一问题,本文应用间接法将燃料最优小推力轨迹优化问题建模为两点边值问题,介绍了4种常用的Bang-Bang控制平滑化形式,深入分析了平滑参数的取值上限.通过研究平滑参数对控制律的影响,建立了平滑参数上限和到达给定末端状态所需最小推力幅值之间的关系.基于最小推力幅值,给出了平滑参数是否存在上限的判断依据,并推导出了4种平滑形式下平滑参数上限的计算式,为平滑参数起始值的选取提供了参考依据.

关键词：小推力轨迹优化平滑化方法 Bang-Bang控制

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具备消耗性热沉的燃油热管理系统性能分析及优化

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航空学报 2025年第4期46卷 68-82页

作者：杨世宇于海育林远方梁新刚清华大学航天航空学院北京100084

为研究多温度限制点条件下具备消耗性热沉的燃油热管理系统(FTMS)工作性能,通过优化消耗性热沉的使用延长FTMS的正常工作时间(热航时),以液态甲烷(LM)为消耗性热沉构建了仿真流路。首先,分析了FTMS的热回油特性,结果表明系统正常工作时... 详细信息

为研究多温度限制点条件下具备消耗性热沉的燃油热管理系统(FTMS)工作性能,通过优化消耗性热沉的使用延长FTMS的正常工作时间(热航时),以液态甲烷(LM)为消耗性热沉构建了仿真流路。首先,分析了FTMS的热回油特性,结果表明系统正常工作时燃油热沉消耗速率随供油泵流量的增加而增大。当冲压空气不足时,返回燃油箱的燃油温度成为FTMS的主要限制温度,为满足热回油的温度要求,系统的最优供油泵流量过大,导致散热性能不佳。此时使用LM不仅可以冷却热回油,还可以通过减小最优供油泵流量进一步减少燃油热沉的消耗。随后,探究了中间回油支路(MFRB)对FTMS散热性能的影响,结果表明当冲压空气不足时,MFRB不仅可以增大燃烧燃油的散热量,同样可以通过减小最优供油泵流量进一步提升系统的散热能力。标准工况下无LM时的燃油热沉消耗速率可被新流路降低17.62%。接着,分析了LM的流量特性,结果表明可根据LM的使用效果将LM供给流量划分成LM的高效作用区、一般作用区和低效作用区。最后,提出了一种LM的动态供给策略,相较于恒定小流量和大流量的LM供给策略,标准工况下热航时分别提升了9.21%和27.44%。

关键词：热管理系统热沉动态优化热航时燃油

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蛇形多孔扁管内燃油流动换热特性数值研究

工程热物理学报 2025年第1期46卷 251-260页

作者：李玉王相钦刘东洋闵敬春热科学与动力工程教育部重点实验室清华大学航天航空学院北京100084

应用于航空发动机的空油换热器需要在高温大温差的条件下工作,燃油流过换热器时温度会发生显著变化,本文数值研究了蛇形多孔扁管内燃油的流动换热特性,探讨了燃油变物性、管壁温及燃油入口流速的影响,其中蛇形多孔扁管包含6个管程,每根... 详细信息

应用于航空发动机的空油换热器需要在高温大温差的条件下工作,燃油流过换热器时温度会发生显著变化,本文数值研究了蛇形多孔扁管内燃油的流动换热特性,探讨了燃油变物性、管壁温及燃油入口流速的影响,其中蛇形多孔扁管包含6个管程,每根扁管有3个圆孔,扁管间由带挡板的歧管连接。研究结果表明:在每根扁管的三个通道内,燃油流量、压降和对流换热系数分布具有相似性,沿远离管道入口的方向依次递增;与常物性相比,变物性条件下管内对流换热系数和燃油温度更高,压降更小;入口流速增加,流量分布的不均匀性变强,而变物性和管壁温对流量分布的影响相对较小。

关键词：空油换热器蛇形多孔扁管流动换热变物性数值模拟

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能源材料替代与转型中的机器学习方法

化工进展 2025年

作者：傅思维刘宽林琮盛林晓风王笑楠清华大学化学工程系清华大学航天航空学院

能源材料低碳替代与绿色转型是实现碳达峰、碳中和的重要途径。传统基于实验的能源材料开发流程具有高可靠性和可直观评估等优点，但存在时间和资源成本高、探索范围有限、依赖知识和经验等问题。本文介绍了能源材料替代与转型中的机器... 详细信息

能源材料低碳替代与绿色转型是实现碳达峰、碳中和的重要途径。传统基于实验的能源材料开发流程具有高可靠性和可直观评估等优点，但存在时间和资源成本高、探索范围有限、依赖知识和经验等问题。本文介绍了能源材料替代与转型中的机器学习方法，回顾了机器学习技术在能源材料研发中的已有应用和可用在能源材料开发中的机器学习算法，分析了机器学习方法在能源材料开发和替代方面的原理、应用、优势与挑战。根据对机器学习方法在能源材料替代与转型中的应用优势和局限性的系统综述和分析，本文从数据、模型及应用等方面提出了构建高质量数据集、开发高适配性机器学习算法及拓展高效能源技术和系统的思考与展望。分析表明，机器学习方法在模型适配程度、应用广泛程度等方面都有十分广阔的提升空间，在能源材料替代与转型领域应用机器学习方法具有显著价值和广阔前景。

关键词：计算化学可再生能源人工智能能源材料机器学习

基于Cu-Li_(6.4)La_(3)Zr_(1.4)Ta_(0.6)O_(12)复合层的3D多孔集流体用于构建稳定的锂金属负极

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无机化学学报 2025年第3期41卷 499-508页

作者：童志远李子源张可清华大学航天航空学院航空发动机中心北京100084

通过相转化共带浇筑法制备了一种基于Li_(6.4)La_(3)Zr_(1.4)Ta_(0.6)O_(12)(LLZTO)固态电解质和3D多孔结构的铜复合层的集流体。LLZTO的加入为锂离子提供了丰富的离子传输通道与成核位点,而且具有3D多孔结构的铜为复合材料提供了丰富... 详细信息

通过相转化共带浇筑法制备了一种基于Li_(6.4)La_(3)Zr_(1.4)Ta_(0.6)O_(12)(LLZTO)固态电解质和3D多孔结构的铜复合层的集流体。LLZTO的加入为锂离子提供了丰富的离子传输通道与成核位点,而且具有3D多孔结构的铜为复合材料提供了丰富的比表面积,并可容纳大量的死锂等其他负极反应的副产物,同时相转化共带浇筑法操作简便,适合大面积商业化运用。制备的CuLLZTO@Li对称电池在4 mA·cm^(-2)的电流密度下实现了280 h的长循环寿命与25 mV的超低电压滞后,相较于铜箔和3D-Cu分别提升了4倍和3倍。得益于稳定的固态电解质(SEI)膜与无锂枝晶的生成,Cu-LLZTO@Li对称电池相较于Cu foil@Li和3D-Cu@Li对称电池表现出最低的欧姆电阻(2.749Ω·cm^(-2))和界面电阻(0.544Ω·cm^(-2))。Cu-LLZTO半电池在70圈循环中未产生软短路并保持了98.4%的库仑效率,循环中的充放电电压平台始终维持在0.15 V的较低水平。

关键词：复合集流体锂负极固态电解质界面接触锂金属电池

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分数阶广义热弹性问题研究进展

固体力学学报 2025年

作者：张凯田晓耕西安交通大学航天航空学院

本文总结了近年来分数阶广义热弹性问题的研究进展，涵盖分数阶广义热弹性理论的研究进展，磁–电多场耦合效应、扩散效应、黏弹性效应等因素对分数阶广义热弹性问题响应的影响，以及生物组织中的分数阶热传导等问题。通过总结，使读者... 详细信息

本文总结了近年来分数阶广义热弹性问题的研究进展，涵盖分数阶广义热弹性理论的研究进展，磁–电多场耦合效应、扩散效应、黏弹性效应等因素对分数阶广义热弹性问题响应的影响，以及生物组织中的分数阶热传导等问题。通过总结，使读者对分数阶广义热弹性问题的研究现状及发展趋势有较全面的认识，帮助研究人员进一步开展分数阶广义热弹性问题更高层次的研究。

关键词：分数阶微积分广义热弹理论有限元扩散效应电磁热弹耦合

基于物理信息神经网络的多介质非线性瞬态热传导问题研究

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力学学报 2025年第1期57卷 89-102页

作者：陈豪龙唐欣越王润华周焕林柳占立合肥工业大学土木与水利工程学院工程力学系合肥230009 清华大学航天航空学院应用力学教育部实验室北京100084

文章基于物理信息神经网络(physics-informed neural network,PINN)求解多介质非线性瞬态热传导问题.根据多介质热物性参数的不同,将求解区域划分成多个子域,在每个子域中单独应用PINN,不同子域通过公共界面的通量连续性条件相联系.利... 详细信息

文章基于物理信息神经网络(physics-informed neural network,PINN)求解多介质非线性瞬态热传导问题.根据多介质热物性参数的不同,将求解区域划分成多个子域,在每个子域中单独应用PINN,不同子域通过公共界面的通量连续性条件相联系.利用偏微分方程、初始条件、边界条件和子域间公共界面连续性条件的残差构建损失函数.通过自动微分算法计算偏微分方程中温度对各输入变量的偏导数.利用链式求导法计算损失函数对权重和偏差的梯度,再根据梯度下降法更新网络参数.为了加速网络收敛,在激活函数中引入训练参数,通过调节激活函数斜率,使网络具有自适应性.文章探讨了PINN在求解多介质非线性瞬态热传导问题中的适用性,并进一步讨论了不同激活函数、学习率、网络结构和损失函数中的各项权重等对PINN计算结果的影响.计算结果表明,PINN在求解多介质非线性瞬态热传导问题时仍具有较高的可靠性和较简洁的求解流程,且不需要对求解域进行人为的前处理,有一定工程应用可行性.文章通过系统的理论分析和数值验证,充分展示了PINN解决复杂热传导问题的可靠性.

关键词：物理信息神经网络非线性瞬态热传导问题多介质自适应激活函数