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高超声速飞行器多尺度耦合热效应预测研究进展

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中国科学：技术科学 2024年第7期54卷 1288-1304页

作者：杜雁霞杨肖峰肖光明刘磊魏东桂业伟中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室绵阳621000

随着未来临近空间高超声速飞行器更高速度、更长航时服役新需求的提出,飞行器多尺度耦合热效应日趋显著,并成为影响飞行热安全的重要因素.针对飞行器高温表面、高温结构、舱内仪器/设备等涉及的热现象,综述了多尺度耦合热效应预测方法... 详细信息

随着未来临近空间高超声速飞行器更高速度、更长航时服役新需求的提出,飞行器多尺度耦合热效应日趋显著,并成为影响飞行热安全的重要因素.针对飞行器高温表面、高温结构、舱内仪器/设备等涉及的热现象,综述了多尺度耦合热效应预测方法的研究进展.结合未来飞行器精细化、低冗余设计需求,进一步提出了后续研究的重点方向.飞行器耦合热效应研究需从关注“宏观量”拓展到关注影响内禀特性的微细观“隐变量”,跨尺度关联应注重“降尺度”与“升尺度”的协同,同时还需进一步发展弱化人工经验、消除人为边界的数理模型与自适应方法.相关研究将为飞行器热行为的精细预测及高效防护提供参考.

关键词：高超声速多尺度耦合热行为综合热效应热安全

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结冰风洞小流量发动机进气部件防冰试验技术

航空动力学报 2024年第4期39卷 1-7页

作者：冉林熊建军赵照易贤中国空气动力研究与发展中心结冰与防除冰重点实验室四川绵阳621000 中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室四川绵阳621000

为满足国产航空发动机小流量进气防冰试验的需求,基于结冰风洞的发动机进气模拟系统,分析了典型小流量发动机进气部件的进气特征,开展了小流量发动机进气模拟方法研究。提出采用水环真空泵解决了大流阻进气导致吸气管道压力大幅度降低问... 详细信息

为满足国产航空发动机小流量进气防冰试验的需求,基于结冰风洞的发动机进气模拟系统,分析了典型小流量发动机进气部件的进气特征,开展了小流量发动机进气模拟方法研究。提出采用水环真空泵解决了大流阻进气导致吸气管道压力大幅度降低问题,在此基础上,优化了发动机进气模拟系统,建立了在结冰风洞开展小流量发动机进气部件防冰试验的流程,并应用于某型号小流量发动机进气部件防冰试验。结果表明:发动机进气模拟系统满足小流量发动机进气部件防冰试验要求,进气流量控制精度达到±0.05 kg/s(±0.33%FS),试验过程中的流量变化可用于辨别防冰效果。相关研究为发动机进气模拟系统设计、优化和小流量发动机进气部件的防冰特性考核提供了参考依据。

关键词：结冰风洞发动机进气模拟系统小流量发动机进气部件防冰试验进气流量

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采用重组模板的权重优化WENO-Z格式

国防科技大学学报 2024年第1期46卷 187-197页

作者：柴得林王强易贤刘宇中国空气动力研究与发展中心结冰与防除冰重点实验室四川绵阳621000 中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室四川绵阳621000

针对精确模拟含激波等复杂流动结构的流场对高精度格式的低耗散低色散要求,基于5阶有限差分WENO-Z格式,提出一种模板重组技术。在计算WENO非线性权时,引入一个由3点模板重新组合的4点模板,优化原格式中各模板的权重分配,进而提出了两种... 详细信息

针对精确模拟含激波等复杂流动结构的流场对高精度格式的低耗散低色散要求,基于5阶有限差分WENO-Z格式,提出一种模板重组技术。在计算WENO非线性权时,引入一个由3点模板重新组合的4点模板,优化原格式中各模板的权重分配,进而提出了两种改进WENO-Z格式。采用近似色散关系分析方法对改进前后格式色散与耗散特性进行了对比与分析。分析表明:两种改进格式耗散有不同程度的降低。数值实验表明:改进格式具有更优越的激波捕捉性能,对小尺度流场结构具有更高的分辨率。

关键词：模板重组权重 WENO格式

真实气体效应和热化学反应对激波风洞流场特征参数的影响研究

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宇航学报 2024年第8期45卷 1301-1312页

作者：黄成扬李贤孔小平孔荣宗罗仕超胡守超中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所绵阳621000 中国空气动力研究与发展中心跨流域空气动力学重点实验室绵阳621000

真实气体效应会改变气体热物性,热化学反应则会影响激波波后状态,两者将共同影响激波风洞流场特征参数。利用真实气体状态方程和热化学平衡假设,建立了一套真实气体热物性和波后参数快速计算方法,研究了真实气体热物性参数的变化及热化... 详细信息

真实气体效应会改变气体热物性,热化学反应则会影响激波波后状态,两者将共同影响激波风洞流场特征参数。利用真实气体状态方程和热化学平衡假设,建立了一套真实气体热物性和波后参数快速计算方法,研究了真实气体热物性参数的变化及热化学反应对波后参数的影响。通过考虑真实气体和热化学非平衡效应的准一维计算方法,结合气动理论分析,研究了真实气体效应和热化学反应对风洞流场时空结构和驻室参数的影响。结果表明,真实气体的声速、焓以及熵等参数与理想气体存在显著差异,且偏差随着压强的增加而增大。热化学反应使得激波波后气体温度和压强分别低于和高于定比热比假设的结果,且波后状态接近热化学平衡。真实气体效应则使得膨胀波波头传播速度增加及入射激波马赫数减小,影响风洞流场的时空结构,并可能导致有效实验时间减小。

关键词：激波风洞真实气体效应热化学反应热物性参数流场特征参数

表面烧蚀对等离子体的影响及其与电磁场相互作用

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物理学报 2024年第11期73卷 237-250页

作者：丁明松刘庆宗江涛傅杨奥骁李鹏梅杰空天飞行空气动力科学与技术全国重点实验室绵阳621000 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所绵阳621000

表面烧蚀显著影响高速流动中等离体子鞘分布及其与电磁场相互作用的特征.考虑高超声速飞行器表面烧蚀引射机制、烧蚀产物参与流场等离子体生成过程、含碱金属的混合电离气体导电机理和电磁动力学机制,通过耦合求解带电磁源项的三维热化... 详细信息

表面烧蚀显著影响高速流动中等离体子鞘分布及其与电磁场相互作用的特征.考虑高超声速飞行器表面烧蚀引射机制、烧蚀产物参与流场等离子体生成过程、含碱金属的混合电离气体导电机理和电磁动力学机制,通过耦合求解带电磁源项的三维热化学非平衡流动控制方程、电场泊松方程和磁矢量泊松方程,建立了含碱金属烧蚀的高速流动/等离子体/电磁场耦合计算方法,结合常见的碳碳材料和硅基酚醛树脂材料烧蚀热解过程,较为系统地开展了多种条件下表面烧蚀对高超等离子体鞘影响及其与电磁场相互作用的机制与规律研究.研究表明:烧蚀效应对流场等离子体分布的影响受烧蚀质量引射率和碱金属质量占比共同作用,当碱金属含量较高时,碱金属电离反应占主导,电子数密度可增大1—2个数量级;不同材料烧蚀对等离子体的影响存在差别,硅基酚醛树脂的烧蚀质量引射率较大,电离生成CO^(+),C^(+)的摩尔分数接近空气主要电离组分NO^(+),O_(2)^(+),其影响不容忽视;烧蚀材料中碱金属可以显著提升磁流体力学控制效果,随着碱金属占比增大,电磁场耦合作用效果增强,二者呈非线性关系;在速度较低时,纯空气本身的电离度低导致电磁场耦合作用效果弱,通过含碱金属烧蚀来提升电磁作用效果的效率更高.

关键词：电磁流动耦合烧蚀碱金属等离子体高超声速流动

结冰风洞发动机进气模拟系统稳流量进气控制方法研究及应用

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航空动力学报 2024年第9期39卷 238-244页

作者：冉林易贤赵照熊建军中国空气动力研究与发展中心结冰与防除冰重点实验室四川绵阳621000 中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室四川绵阳621000

针对结冰风洞发动机进气部件试验稳流量进气控制难题,结合提供进气条件的发动机进气模拟系统的工作原理,提出采用卡尔曼滤波无模型自适应控制方法,通过建立系统动态线性化数据模型,利用卡尔曼滤波对实际动态流量输出做真值预估,估值与... 详细信息

针对结冰风洞发动机进气部件试验稳流量进气控制难题,结合提供进气条件的发动机进气模拟系统的工作原理,提出采用卡尔曼滤波无模型自适应控制方法,通过建立系统动态线性化数据模型,利用卡尔曼滤波对实际动态流量输出做真值预估,估值与期望值的差值经过动态数据模型计算,得到调节系统抽气设备转速的输入量,进行稳流量进气控制,最后应用于某型号发动机进气部件防冰试验。试验结果表明:发动机进气模拟系统运行稳定可靠,输出的进气流量符合试验要求,进气稳流量控制精度达到0.1 kg/s。

关键词：稳流量进气控制发动机进气模拟系统卡尔曼滤波无模型自适应控制进气部件防冰试验进气流量

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基于PCA降维的气动外形参数化方法

航空学报 2024年第10期45卷 62-81页

作者：余婧蒋安林刘亮吴晓军桂业伟刘深深中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所绵阳621000

几何参数化建模是气动布局设计的关键技术之一,简洁、高效、准确的几何表征对于提高飞行器设计效率和质量有着至关重要的作用。基于主成分分析(PCA)的特征提取降维,可以在满足几何表征精度的条件下,进一步降低现有参数化方法的维度,更... 详细信息

几何参数化建模是气动布局设计的关键技术之一,简洁、高效、准确的几何表征对于提高飞行器设计效率和质量有着至关重要的作用。基于主成分分析(PCA)的特征提取降维,可以在满足几何表征精度的条件下,进一步降低现有参数化方法的维度,更好地服务于气动布局设计。本文介绍了基于PCA的翼型参数建模方法,分析了采样空间设计、样本数量、采样参数、几何重构方式等各个因素对PCA建模过程中降维能力、基模态特性以及几何表征能力的影响。通过CFD仿真分析,进一步探究PCA建模方法在气动性能表征方面的能力。仿真分析指出:基于PCA的翼型参数化方法,可以在满足几何外形表征精度的条件下降低现有方法参数维度,且其设计参数与几何特性有对应关系,利于在布局设计中加入工程经验;基于同一类采样方式的PCA建模,其模态特性、降维能力和几何外形拟合能力受采样空间、样本数量的影响很小,但对采样方法的参数配置较为敏感;本文所研究的建模方法,可在保证几何表征精度的同时满足气动力表征精度,其在气动布局设计优化中,具有一定的指导意义。

关键词：气动外形优化翼型参数化主成分分析几何参数化本征正交分解

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基于超声导波的积冰量辨识及定位方法

航空学报 2024年第16期45卷 48-62页

作者：张晏鑫张鸿健熊建军赵照冉林易贤中国空气动力研究与发展中心结冰与防除冰重点实验室绵阳621000 中国空气动力研究与发展中心空天飞行空气动力科学与技术全国重点实验室绵阳621000

为实现飞机结冰区域化定量探测能力,提出了一种基于Lamb波的冰层定位和定量辨识方法。首先,建立了压电耦合的波动力学仿真模型,通过三维有限元数值计算分析了Lamb波在铝板、冰层中的传播特性及模态转换过程,选取S0/B1模态作为结冰监测模... 详细信息

为实现飞机结冰区域化定量探测能力,提出了一种基于Lamb波的冰层定位和定量辨识方法。首先,建立了压电耦合的波动力学仿真模型,通过三维有限元数值计算分析了Lamb波在铝板、冰层中的传播特性及模态转换过程,选取S0/B1模态作为结冰监测模态,并建立了一种基于小波变换的信号分析方法以提取S0/B1模态波的时间延迟特征量。进一步,研究分析了不同冰层结构尺寸对Lamb波信号的影响规律。结果表明,随着冰层长度(波导传播方向上的积冰量)的增大,B1模态波的时延比线性增大;冰层宽度(波导传播展向垂直方向上的积冰量)对B1模态波时延存在一个影响区域,在影响区域内(冰层宽度不大于40 mm),时延比与冰层宽度成线性关系;冰层厚度与B1模态波时延比总体上具有正相关变化趋势,冰层厚度在1.5 mm以内时,其与时延比之间具有较好的线性关系。基于此,建立了Lamb波压电阵列定位成像的数值计算模型,并提出了一种自适应阈值概率重构算法,进一步采用时延比来表征探测区域内的积冰程度,最终验证了冰层的定位成像、结冰定量辨识的可行性,提升了超声导波结冰在线快速评估的能力,为超声导波结冰区域化定量探测奠定了基础。

关键词：超声导波 Lamb波结冰探测积冰量定位成像

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高焓流场球头外形气动热试验研究

空气动力学学报 2024年第1期42卷 1-12,I0001页

作者：田润雨龚红明常雨刘济春江涛中国空气动力研究与发展中心跨流域空气动力学重点实验室绵阳621000 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所绵阳621000

再入地球大气层时,飞行器的再入速度极高,面临严重的气动加热问题。为了研究高焓流动导致的热化学非平衡现象,在高焓膨胀风洞FD-14X中开展了球头外形的热流测量试验以及CFD仿真模拟。FD-14X为中国空气动力研究与发展中心新建成的高焓膨... 详细信息

再入地球大气层时,飞行器的再入速度极高,面临严重的气动加热问题。为了研究高焓流动导致的热化学非平衡现象,在高焓膨胀风洞FD-14X中开展了球头外形的热流测量试验以及CFD仿真模拟。FD-14X为中国空气动力研究与发展中心新建成的高焓膨胀风洞,速度模拟能力达到第二宇宙速度,总温模拟能力超过10000 K,能够产生总焓70 MJ/kg的试验气体。试验来流总焓16.9~63.5 MJ/kg,球头直径20~50 mm,流场采用自发光拍照,同时CFD仿真采用Park双温非平衡模型计算球头绕流流场。试验与仿真结果表明:来流总焓大于5 MJ/kg时,球头绕流场存在显著的热化学非平衡现象;304钢模型壁面在来流总焓小于20 MJ/kg时表现为非催化壁面特性,在来流总焓大于30 MJ/kg时表现为催化壁面特性;当球头表面镀氧化锆膜、来流总焓49.5 MJ/kg时,球头壁面表现为非催化壁面特性。

关键词：高焓膨胀风洞球头高温效应热化学非平衡壁面催化/非催化特性热流