组合喷管构形激光推力器推进性能数值研究

激光推力器中,单一构形如旋转抛物形、锥形的喷管设计未对高压流场实现有效约束,推进性能较低。通过建立的计算模型,针对吸气模式下,抛物形与圆柱形喷管组合的激光推力器模型进行了数值研究,围绕圆柱喷管长度与脉宽对推进性能的影响规律以及流场演化特征进行了分析。结果显示：冲量耦合系数随圆柱喷管的增长而增加并趋于恒定,直径20mm、圆柱喷管长80mm的推力器模型在单脉冲激光能量密度1.5J/cm^2的条件下获得的冲量耦合系数高达627.7N/MW;脉宽对冲量耦合系数也有一定影响。     

激光重复频率对吸气式多脉冲激光推进冲量耦合系数的影响

针对实验室已有的平顶抛物形喷管,数值模拟了单脉冲激光能量为500J时,不同激光重复频率下的激波流场演化过程,分析了喷管内激波流场对后续脉冲的影响,得到了冲量耦合系数随激光重复频率的变化规律。结果表明：激光重复频率在10～100Hz范围内,冲量耦合系数随频率的增加显著减小;在100～400Hz范围内,冲量耦合系数下降趋势变缓;随着脉冲数目的增多,喷管内气体密度降低,后续脉冲受到之前激波流场影响增大,推进性能降低。     

吸气式激光推进中推力形成过程的研究

将激光推进中的推力形成过程与传统化学火箭发动机中的推力形成过程进行了比较,分析了两者之间的异同;对激光引致的激波与喷管壁面流固耦合而产生的推力和气体从喷管出口端反冲而获得的推力分别进行了计算,计算结果表明：2种推力在一个力作用周期内的平均推力相等,也即力学效应相同;研究所得的结论为进一步研究吸气式激光推进机理提供有用的参考。     

激光推进中一种光船结构的设计

随着激光推进技术的提出和高能激光技术的发展，以激光作为推进能量的飞行器将会有效解决降低火箭成本和提高火箭有效载荷的问题。设计了一种新型激光推进飞行器－－光船；建立了合理的物理模型和流体力学模型；用数值方法研究其喷管形状、位置对冲量耦合系数及推力的作用规律；根据数值计算结果对光船结构进行改进，确定了比较合理的光船结构。     

点火形状对激光推力器推进性能的影响

在单脉冲激光能量为70 J作用下,用数值计算方法,对点火形状沿抛物形喷管对称轴的变化及其对激光推力器推进性能的影响进行了研究。研究表明,对于内表面母线方程y^2=20x,开口直径为0.08 m的喷管,当点火位置距离喷管内壁顶点0.02 m,点火区体积不变时,椭球或圆柱点火形状的变化对冲量耦合系数的影响很小;点火形状沿水平方向越细长,推力的变化幅度越小。通过分析点火形状对推进性能的影响,为设计聚焦系统提供了参考依据。     

激光微烧蚀靶材的冲量耦合系数测量方法

冲量耦合系数是激光微推进的重要参数,反映激光能量转化为动量的能力.提出了扭摆干涉仪测微冲量的原理以及测量方法,解决了难于精确测量10-7～10-5N·s的微冲量的问题,以掺碳的聚氯乙烯为靶材,测得了它在激光微烧蚀下的最高冲量耦合系数将近70 μN/W.为激光微推进冲量耦合系数的计算提供了工程测量和计算方法.     

脉冲激光作用下光船所受推力的测试

建立了一套压电传感器瞬态推力的测试系统,介绍了测试系统的组成及测试原理。为消除实验环境的各种干扰,简化误差分析和数据处理过程,进行了测试系统的现场标定。给出了标定系统的原理和结构,并对实验测试结果和数据进行了处理分析。结果表明:激光支持的爆轰波作用于抛物型光船所产生的推力作用时间在100μs量级,峰值推力在100N量级,对于激光推进冲量耦合系数的计算,具有重要参考价值。     

固体发动机喷管喉衬流固耦合换热规律数值研究

通过考虑流场与壁面的湍流换热、固壁中的热传导以及包含吸收-发射性气体介质的喷管空腔中的热辐射交换等因素,建立了喷管喉衬流固耦合换热模型,通过与前人实验结果对照验证了模型的准确性;应用该模型分析了喷管粗糙度、燃气组分、燃烧室压强、推进剂燃温等因素对喷管喉衬热结构及换热规律的影响。仿真结果表明,喷管喉衬壁面温度和总热流密度在喷管喉部直段的前端达到最大;上述因素对喷管喉衬热交换的热流密度影响很大。     

飞翼无人机保形非对称尾喷管设计与流场特性

基于飞翼布局无人机隐身与保形设计要求,设计了不同面积比的四边形和圆矩形2类非对称尾喷管,并利用数值模拟方法对无人机内外流耦合流动进行了计算分析,获得了无人机全机纵向气动性能与尾喷管三维流场特性。结果表明:保形非对称尾喷管可用于改善飞翼无人机的纵向力矩特性,且圆矩形喷管升阻特性和力矩特性比四边形喷管更优;收敛型喷管(面积比Ar≤1.0)无法在设计点(发动机喷口)而是在尾喷管出口处形成喉道,并在喉道处形成强激波阻滞喷流排出;随着面积比增大,轴向推力系数先增大后减小,存在最佳面积比,而且相同面积比下圆矩形喷管比四边形喷管推力性能更佳;扩张型喷管内激波的强度随着面积比增大变得更强,圆矩形喷管结尾处的激波角比四边形喷管小,喷流阻滞作用更小;对于此类飞翼布局无人机采用面积比为1.2~1.4的圆矩形喷管,将获得较理想的气动性能。     

均匀流作用下悬浮隧道管段水动力参数分析

为研究断面形状对悬浮隧道管段绕流升力系数以及阻力系数的影响,采用RNG k-ε湍流模型,通过ADINA流体模块对8种不同几何形状、高宽比系数的悬浮隧道管段在均匀流作用下的绕流场进行了数值模拟,分析了悬浮隧道管段绕流升力、阻力系数的变化规律。结果表明：管段曲率是影响绕流场的重要参数,减小高宽比系数,采用平缓曲率断面可显著减小绕流升力、阻力系数;具有棱角的方形、长方形断面绕流升力、阻力系数均较大,压力变化复杂,不利于结构稳定;在相同断面面积的条件下,采用多边形断面以及曲边形断面设计可以大大减小绕流升力、阻力。     

Interior Performances of an Impulse Thruster by Numerical Calculation

Impulse thruster is a kind of actuator used for trajectory correction or attitude control of some in-flight munitions and vehicles.A simple mathematical model was set up to model interior characteristics of an impulse thruster.With this model,effects of some key parameters on interior performances of the impulse thruster were studied.Results show that action time is affected significantly by nozzle throat diameter and volume of combustion chamber,while output impulse is sensitive to charge particle diameter...     

超声波体积流量计声场混合计算方法

超声波体积流量计测量空间内声场分布主要由换能器性能和实际工况下的流场共同决定. 在进行相关声场研究时,为了解决仅使用数值法难以对实际换能器重要计算参数进行准确建模的问题,提出联合测量边界条件和数值法的混合计算方法对声场进行求解. 计算模型的振动边界条件通过使用扫描式激光测振仪测量换能器表面离散点的振动速度并对其进行数据拟合来准确获取,实现以实验测量的数据对建模不确定性最大的换能器进行表征. 由计算流体动力学对超声体积流量计在不同体积流量下的流场进行求解,并将获取的流场导入数值计算模型中作为背景流场. 借助有限元软件COMSOL求解由非均匀流中线性声学式推导的控制式对声场进行预测. 比较预测和实验结果,对混合计算方法进行验证.     

Analysis of satellite reflector antenna radiation characteristics perturbed by plume

The electric thruster has the advantage of high specific impulses and requiring much less fuel compared with the chemical thruster, and it will improve the mobility and life span of a satellite. Electromagnetic waves will be attenuated in the plasma plume because of absorption and refraction effects. In this paper, Ray tracing, aperture integral and the superposition principle of the electric field are used to analyze the effects of the plasma plume on antenna performance. The attenuation of the plume between 2GHz and 5GHz frequencies are calculated. For a 20cm electric thruster plume, simulation results vary from 0.3dB to 2.5dB compared with the experimental data, and the angle of the main lobe bending away from the thruster is less than 0.5 degree for the E-plane pattern.     

Weak thruster fault detection for AUV based on stochastic resonance and wavelet reconstruction

When the bi-stable stochastic resonance method was applied to enhance weak thruster fault for autonomous underwater vehicle(AUV), the enhancement performance could not satisfy the detection requirement of weak thruster fault. As for this problem, a fault feature enhancement method based on mono-stable stochastic resonance was proposed. In the method, in order to improve the enhancement performance of weak thruster fault feature, the conventional bi-stable potential function was changed to mono-stable potential function which was more suitable for aperiodic signals. Furthermore, when particle swarm optimization was adopted to adjust the parameters of mono-stable stochastic resonance system, the global convergent time would be long. An improved particle swarm optimization method was developed by changing the linear inertial weighted function as nonlinear function with cosine function, so as to reduce the global convergent time. In addition, when the conventional wavelet reconstruction method was adopted to detect the weak thruster fault, undetected fault or false alarm may occur. In order to successfully detect the weak thruster fault, a weak thruster detection method was proposed based on the integration of stochastic resonance and wavelet reconstruction. In the method, the optimal reconstruction scale was determined by comparing wavelet entropies corresponding to each decomposition scale. Finally, pool-experiments were performed on AUV with thruster fault. The effectiveness of the proposed mono-stable stochastic resonance method in enhancing fault feature and reducing the global convergent time was demonstrated in comparison with particle swarm optimization based bi-stochastic resonance method. Furthermore, the effectiveness of the proposed fault detection method was illustrated in comparison with the conventional wavelet reconstruction.     

运输类飞机/发动机干扰流场纵、横向一体化数值分析

发展了一种计及粘性效应的运输类飞机／发动机气动干扰纵，横向影响的一体化数值分析方法，采用多块网络技术及求解椭圆型偏微分方程方法生成贴体，与边界正交的多块对接网格，对全机／发动机复杂外形的纵，横向绕流流场进行分布区求解，利用Euler方程和可压缩湍流边界层积分方程，研究翼面有粘与无粘强干扰流动，计算结果表明，无论对带翼吊还是尾吊发动机的全机构型，均获得了与实验值吻合良好的结果。     

操作参数对液-液旋流器内部流场及分离性能的影响分析

为了进一步研究液-液旋流器操作参数对其内部流场及分离性能的影响,用FLUENT流体分析软件,采用雷洛应力模型(RSM),对不同的进口流量及底流口压力分别进行了仿真研究,得到不同操作参数下的内部流场情况,并据此分析其对液-液旋流器内部流场及分离性能的影响。     

微喷管过渡区流动的DSMC模拟研究

微喷管性能的好坏关系到微推进器能否提供所需的准确推力及能否具有较高的推力效率,因此微喷管的研究对提高微型推进器的性能起重要作用.针对高温气流的特点,在运用直接模拟蒙特卡罗方法模拟微喷管流动过程中,考虑由于非平衡性而发生的内能松弛等问题,引入分子内能激发和松弛概率,对不同入口压力及温度下高温流体的拉伐尔喷管流场进行了数值模拟,模拟结果表明随着入口流体温度的升高,微喷管的推力效率也随之增长,在低压下入口压力的增大有助于提高微喷管的工作效率,而高压下入口压力的变化对微喷管性能的影响并不显著.     

混流式喷水推进器水动力性能的数字模拟

针对混流式喷水推进器采用数值方法研究其流体动力性能并分析内部流场特性。采用全结构化网格离散计算区域,应用k-ε和k-ω相结合的SST湍流模型来封闭控制方程,采用全隐式多区域网格耦合求解。根据流场计算结果对转速-功率,转速-扬程,转速-效率特性进行了预报,并对内流场的流线和叶片表面压力分布作了详细分析。其中,预报的转速-功率特性与厂家试验结果比较,误差在2%以内。说明研究采用的模型和计算方法具有较好的可信性和较高的计算精度。     

用于微小卫星姿轨控的激光烧蚀微推力器

随着微小卫星技术的不断发展,微推进系统对于微推力器的需求越来越高。激光烧蚀微推力器技术作为一种新型的电推进微推力器技术,在推进性能和系统集成方面具有鲜明的特色。以微小卫星的发展所带来的微推进系统的需求为应用背景,对比分析各种适合微小卫星需求的微推力器特点,跟踪激光烧蚀微推力器的最新研究进展,对2种典型微推力器性能进行了对比、分析和评估,最后给出了进一步研究的建议。