高超声速滑翔飞行器面临复杂的气动热环境,预示数值存在一定的不确定度,其不确定度来源的辨识与量化分析对于确保可靠性和鲁棒热防护系统具有重要意义。首先给出了经过对比完善的高超声速滑翔飞行器端头、前缘和大面积气动加热计算方法。然后,将影响热流预示不确定性的因素分为认知不确定性和随机不确定性两类,分别给出了各个不确定性参数的概率分布类型和取值范围。最后采用蒙特卡洛法生成样本,以端头热环境为例,使用非侵入式多项式混沌方法和基于Sobol指标的方法开展不确定度量化和敏感性分析。分析结果表明,给定变量不确定条件下,端头热流不确定度不小于7.03%,且对来流速度和来流密度的变化更为敏感。

为探究热防护材料在高超声速环境下的服役行为,采用风洞试验和数值模拟方法研究了D6AC钢结构在多物理场耦合作用下的失效问题.基于高超声速气动力学、结构力学基本理论,建立高超声速D6AC钢结构的多物理场耦合理论模型,利用Navier⁃Stokes方程模拟得到其在不同飞行环境下的气动加热和结构响应,并对数值模拟的结果进行风洞试验验证.结果表明,风洞试验结果与数值模拟结果相吻合.气动热是导致D6AC钢结构破坏的主要因素,在三组来流条件下钢结构均发生了烧蚀现象,结构烧蚀开始时间取决于来流总温的大小.

分析了高超声速火箭橇橇体在运动中所涉及的气动热计算问题,对于8Ma以下的气动热问题,介绍了量热完全气体与热完全气体热力学参数计算方法,并通过数值计算比较了不同速度下两种气体的热力学参数变化情况,在低马赫数时,两种气体计算结果的差别不大,随着来流速度的增大,两种气体计算结果的差值增大。对于8Ma以上的气动热问题,介绍了高温真实气体的气动热计算方法,为高超声速火箭橇的气动热计算奠定了理论基础。

高超声速气动热弹性分析涉及流场、结构场和热力场间的相互耦合,计算复杂且耗时长。根据分层求解策略提出了一种基于降阶模型的高超声速气动热弹性分析框架。分别采用系统辨识法和本征正交分解法对高超声速气动力和气动热建立降阶模型,并与模态叠加法耦合实现热配平状态下气动热弹性问题的快速计算。以典型高超声速三维机翼为例,预测热结构的颤振动压,并与全阶流⁃固⁃热耦合计算结果对比吻合较好。所提出的气动热弹性分析框架提高了计算效率,而且精度高,可应用于工程分析中。

为了满足某高超声速涡轮发动机巡航工况(Ma=3.2)性能要求,在某8级轴流压气机方案基础上,针对压气机在该工况对应转速(相对换算转速0.748)下流通能力不足问题进行设计优化。通过创建多级压气机1维分析设计平台,采用试验设计方法分析并确定了对压气机低转速性能影响较大的关键参数,基于模拟退火寻优算法完成对多级压气机气动布局的重构;通过采用宽范围低损失多段圆弧中弧线设计、高流通转子叶型设计、低转速可调静子安装角优化及各级攻角匹配优化等措施,完成了8级压气机方案的改进设计。结果表明在巡航工况(Ma=3.2)下,8级压气机效率和喘振裕度分别提高了0.7%和17.4%,验证了多级压气机设计优化方法的有效性,可为高超声速涡轮发动机压缩部件设计和研究提供参考。

气动布局的多目标优化是飞行器设计中的关键技术。提出一种新的高超声速再入飞行器气动外形参数的多目标优化方法,证明外形优化对高超声速流下飞行器性能的影响。通过实例仿真对飞行器所受阻力和升力对制导性能影响进行详细验证分析,将飞行器落点圆概率偏差、末速大于500 m/s的占比、最大飞行过载小于60g的占比这3个性能指标作为优化目标,将升力特性作为中间参数,将气动布局优化问题分解为2个子问题,通过基于搜索算法的升力特性优化和基于改进的模拟退火算法的外形参数优化,减少优化计算时间、提升计算效率、实现对飞行器主体和襟翼的气动布局优化、获得高超声速流下的最佳飞行器外形。仿真结果表明在确定的约束条件下,优化算法增加了飞行器在超音速流下的气动升力,有效提高了升阻比。在不影响最大飞行过载的前提下,优化后的......

针对高超声速目标的红外辐射特性计算困难的问题,提出一种修正的工程计算方法。在传统气动加热工程计算方法基础上,考虑高超声速大气环境的动态影响,采用大气高度作为修正因子,构建高超声速再入飞行器目标表面气动加热的温度动态变化算法,并对典型飞行条件下的高超声速目标红外光谱辐射特性进行了计算分析。

为解决高档名优绿茶采摘劳动力紧缺和现有采茶机对新梢采摘缺乏选择性的问题,提出用于采茶机器人的、模仿人工“提手采”方式的仿生采摘指机构,通过固定、提拉等动作将新梢的茎拉断,并基于该机构设计采摘指气动控制系统。系统采用STM32芯片为控制核心,通过光耦继电器控制电磁换向阀两个出气口有序开启,从而控制气缸往复运动,实现采摘指对新梢的采摘。通过计算分析设计控制气路,对气路系统元件进行选型;完成控制系统硬件电路设计和软件开发,并制作样机。试验结果表明采摘指能有效实现新梢与茎秆的分离,一芽一叶采摘成功率达90%,验证了仿生采摘指气动控制系统的可行性和实用性。

研究依托韩城跨黄河接万荣大桥工程,以货运汽车作为受力对象对高墩桥梁上栅栏式防风屏的挡风效果进行研究,采用k-ε两方程湍流模型对车辆-桥梁-防风屏系统之间的流场进行数值模拟,采用重叠网格技术实现不同部件之间的信息交换,对不同形式栅栏式防风屏的挡风效果进行研究。计算结果表明防风屏高度从2m增加到3.5m,车辆六分力系数平均降低幅度达到57%,透风率从40%减小到30%,车辆六分力系数平均降低幅度达到26%,设置3.5m高度和30%透风率的栅栏式防风屏最优。

外场工作风力机叶片会受到环境腐蚀,导致风力发电机气动性能下降,发电效率降低。为研究腐蚀翼型的气动性能变化,建立9种腐蚀模型,计算4种风速(30m/s、35m/s、40m/s、45m/s)下腐蚀翼型的气动性能,分析翼型形状与腐蚀位置的变化对翼型气动性能的影响。数值模拟结果表明来流风速与翼型的升阻力成线性关系;S803翼型的气动性能优于S802和DU93翼型,DU93翼型发生腐蚀缺陷,气动性能表现最差;高速流体流过翼型缺陷位置,在缺陷位置发生流动分离形成涡旋流场,导致翼型气动性能降低。研究结果有利于恶劣环境下的风力机叶片选型及叶片的后期维护。