涡波一体乘波飞行器宽速域气动优化设计研究

涡波一体宽速域乘波飞行器通过在低速引入涡效应,显著改善了传统乘波体在低速状态下的升阻特性,具有在未来宽速域空天飞行器总体气动设计当中得到广泛应用的巨大潜力.但是,该设计方法的研究尚不完善,特别是在基准流场建立过程中忽略了三维效应、低速效应、黏性效应以及头部/前缘的钝化效应,因此其高低速气动特性均有优化设计的空间.针对此问题,本文结合高保真RANS求解器、自由变形参数化方法、鲁棒的结构网格变形方法、离散伴随方法以及序列二次规划算法,发展了基于离散伴随的宽速域飞行器气动优化设计方法.基于上述方法,针对涡波一体乘波飞行器开展了兼顾低速与高超声速气动性能的三维整机气动优化设计研究,获得了宽速域优化构型并对其进行了流动机理分析.结果表明,相较于初始构型,宽速域优化构型可以将飞行器高超声速状态下升阻特性略微提升的同时,显著增强低速状态飞行器背风面的旋涡效应,进而使飞行器低速状态的升力和升阻比均提升10%以上,改善了涡波一体宽速域乘波飞行器的高低速气动性能.     

气垫船稳态船波势及波阻的边界元法

本文给出了气垫船在静水中航行时稳态船波势问题的边界元数值分析方法，根据本文的数值计算方法，可以得到气垫船行时所兴起的波浪形状以及气垫附近流场情况，由此可计算气垫所受到的兴波阻力，本文的方法适用于任意已知气压分布情况。     

半空间弹性波双参数强非线性逆散射

半空间弹性波强散射源逆问题是一个实用而又难度很大的强非线性问题,而经典的Born迭代方法只适用于弱非线性问题．基于DBI方法（Distorted-Born Iterative方法）,提出了一种求解弹性波强非线性逆散射问题的迭代方法．在数值模拟运算时利用矩量法进行离散处理,并采用正则化原则避免求解病态矩阵方程。计算结果表明该方法具有较快的收敛速度及较高的精度。     

浅水孤立波在三维浮体上的绕射

浅水域中非线性水波运动的控制方程通常是经过深度平均的Boussinesq方程。然而,这一方程在浮体近旁或水下障碍物附近不再适用,在这些区域,流动在水深方向的变化不容忽略,本文应用匹配渐近展开法和边缘层(edge layer)思想,建立了浅水弱非线性波与三维浮体相互作用的数学模型,作为算例,求解了浅水孤立波在垂直圆柱形浮体上的绕射.本方法可以推广到波在一般浮体上绕射的情况。     

改进SPH方法在陶瓷材料层裂数值模拟中的应用

为了探讨铝飞片撞击陶瓷材料时的层裂现象,采用改进SPH方法模拟应力波在陶瓷材料中的传播。结果表明,当离散粒子分布不均匀时,数值模拟计算的自由面速度时程曲线与实测曲线吻合良好。对比CSPM方法,改进SPH方法的精度更高。提出适用于数值模拟的陶瓷材料损伤演化方程,对脉冲载荷下陶瓷/钢层合板层裂的破坏过程进行数值模拟,结果表明,由于陶瓷的波阻抗高于钢的,且抗压强度远高于抗拉强度,因此拉应力引起的层裂破坏是主要的。即使在材料内部传播的只是弹性压缩波,当弹性波到达材料界面时,由界面反射引起的卸载波也能导致陶瓷发生层裂破坏。     

竖直平面激波与水平热层作用后流场的理论计算方法研究

围绕竖直平面激波与固壁附近水平热层作用问题，提出了流动进入准自相似阶段后固壁附近流场参量的理论计算方法。与已有的Mirels方法相比，本文的方法在下列三个方面进行了改进:（1）舍弃“热层内激波速度与入射激波速度相等”的假定，分析了热层内激波的传播过程，并基于几何激波动力学理论计算热层内激波强度；（2）假定在与入射激波后流体而非入射激波阵面固连的坐标系中，波后流体在定常等熵波作用下，形成沿固壁运动的“活塞”，驱动其前方的热层气体运动；（3）“活塞”内流体与其毗邻的热层气体满足压力和速度连续，不再引入速度比例系数。利用改进后的方法，对于马赫数为2.00的竖直平面激波，在不同热层密度条件下进行计算。本文方法得到的热层内激波强度以及物质界面处的压力、速度和密度等参量，与数值模拟结果偏差均小于10%，优于Shreffler和Mirels计算方法。对于马赫数为1.36的竖直平面激波，当其传播速度小于热层内气体声速时，Shreffler和Mirels计算方法不再适用，而本文中提出的方法得到的计算结果与数值模拟结果和已有实验数据基本吻合，最大偏差约20%。上述结果表明，本文中提出的理论计算方法提高了现有方法的合理性，扩大了适用范围。     

爆破地震波中S波识别方法及其应用

S波震相初至时刻的精确识别是岩石动力学参数反演的关键环节。其拾取的精度和速度直接影响到岩石动力学参数反演的精度和效率。对S波的识别研究大多都集中在地震领域,现有方法难以有效的识别工程尺度下的爆破地震波S波的到时。本文中拟提出一种适用于工程尺度下S波的识别方法。该方法不对振动信号进行滤波处理,采用短时平均过零率、偏转角、偏振度和横向能量与总能量比值等4个识别参数对S波进行识别。结合丰宁抽水蓄能电站地质勘探洞爆破实验实测数据识别效果与数值模拟结果表明:该方法在工程尺度下的识别误差小于3%。该算法能较好地适用于工程尺度下S波初至时刻进行识别。     

MHD控制超声速边界层的理论研究和数值分析

对MHD(mechanisms of magnetohy drodynamics)控制超声速平板湍流边界层的机理进行了理论研究和数值模拟. 理论上,采用等离子体低频近似碰撞频率模型,建立等离子体中电子和离子的力平衡方程,得到等离子体速度、极化电场以及边界层速度. 数值上,通过空间HLLE格式、LU--SGS时间推进求解时均磁流体动力学湍流方程,其中湍流模型采用sst--k\omega双方程模型. 研究结果表明:(1)边界层速度的理论结果和数值结果误差在7%范围内;(2)只有磁场而电场为零时,洛仑兹力起到减小摩阻的作用. 施加电场后,洛仑兹力能够加速边界层低速区流体;(3) 在边界层外层,越靠近壁面,作用参数越小;而在边界层近壁区黏性底层,虽然惯性力减小, 但黏性力却迅速增加,因此越靠近壁面,作用参数反而越大,加速低速流的代价增加.      

微槽-吸气组合控制平板边界层多模态稳定性研究

边界层转捩会使高超声速飞行器壁面摩阻和热流显著增加,因此在高超声速飞行器设计过程中往往占据重要地位.针对高超声速飞行器多模态转捩控制问题,提出了微槽道(1 mm)与边界层吸气的组合控制方法,并通过直接数值模拟和线性稳定性理论研究了Ma=4.5平板边界层的稳定性及组合控制效果.边界层在无控状态时,同时存在失稳的第一、二模态波,且二维第二模态波最不稳定;单纯施加微槽道控制时,边界层第二模态波会被抑制但第一模态波会被略微激发.对比而言,采用“微槽-吸气”组合控制后,不仅增强了对第二模态波的抑制效果,而且减弱了第一模态波的激发程度;同时随着吸气强度的增加,第二模态波不稳定区域明显收缩、频率显著增高,而第一模态波则变化不明显.相较于单纯的微槽道,吸气增强了“微槽吸收”与“声波散射”作用,因此中等吸气强度下该组合控制方法对第一和第二模态波的增长率分别实现了12.63%和28.02%的抑制效果.以上结果表明“微槽-吸气”组合控制手段具有适用宽频、布置区域灵活的优点,展现出了一定的多模态控制效果.     

阻爆器扩张腔中心缓冲隔离板对气相爆轰波的衰减作用

阻火器和阻爆器是工业上常用的重要安全设备。爆轰火焰的猝熄要比爆燃火焰猝熄困难得多 ,因为这不仅取决于阻火芯而且与阻爆器结构有直接关系。在阻爆器扩张腔中部设置球面形缓冲隔离板 ,实验研究了在不同爆轰火焰速度时 ,在缓冲隔离板作用下 ,入射爆轰波压力衰减情况 ,以及对爆轰火焰猝熄所产生的有利影响 ,给出了实验结果。     

全机低速颤振模型的全机稳定性分析

研究全机低速颤振模型在风洞试验时出现的两种全机不稳定性纵向静不安定和纵向动不稳定.研究它们出现时的气流速度(临界速度)随哪些因素变化及其变化规律,以便找到提高临界速度的方法,从而使全机低速颤振风洞试验能顺利进行.     

一种可压缩与不可压缩气体流动的统一算法及其应用

本文采用伪时间变化率项及其"预处理"矩阵,并结合LU-SGS离散格式,发展了可压缩与不可压缩气体流动求解的统一算法.该方法有效地消除了采用可压缩方法求解低速流动时容易产生的"刚性"问题,减小了由于压力项在低速情况下产生的舍入误差.同时,在求解低速与高速并存的流场流动时,无需进行预处理矩阵的转换,实现了可压缩与不可压缩气体流动的统一理论求解.作为算法有效性的验证,本文分别计算了低速、高速、高低速混合流动的典型算例.计算值的验证结果比较表明,对求解马赫数大范围变化情况下的流场,具有很好的收敛性与稳定性,而且收敛速度基本不受流动速度的影响.这个算法程序为今后发展用于燃烧反应流动和密度梯度驱动流动的分析建立了方法基础.     

非均匀介质弹性波动方程的不规则网格有限差分方法

从弹性波动方程出发，提出了一种新的空间不规则网格有限差分方法，并用于求解非均匀各向异性介质中的弹性波正演问题。这种方法简单易行，对于复杂几何结构，例如低速层、套管井和非平面界面等，在较细的不规则网格上进行离散，计算时间和占用内存更少。与多重网格差分方法相比，该方法不需要粗、细网格之间的插值，所有网格差分计算在同一次空间迭代中完成。具有复杂几何交界面的模型计算，包括地下透镜体、套管井眼等，在确定弹性常数和密度后，用不规则网格的差分方法更易实现。该方法使用了Higdon吸收边界条件解决人工边界反射问题，引入了新的稳定性条件和网格频散条件，很好地消除了非物理散射波。理论模型的效值计算表明，该方法具有良好的稳定性和计算精度，在模拟非均匀介质弹性波传播时，比相同精度的规则网格有限差分方法计算速度更快。该方法易于推广到非结构网格和三维问题中。     

材料强度在爆炸焊接界面波形成过程中的作用

本文给出了爆炸焊接界面波形成机理的几组试验结果。这些结果表明:1.界面波的比波长是与粘性无关的恒值;2.在低碰撞速度段,界面波的比波长随板材强度而变化,在高碰撞速度段,界面波的比波长是与板材强度无关的恒值。因此,爆炸焊接界面波形成机理的流体弹塑性模型是合理的。 本文还给出确定界面波波长的经验公式。     

靶板在弹丸低速冲击作用下的弹性恢复规律

为了对不同靶板被尖头弹丸低速侵彻条件下的弹性恢复机理进行研究,同时考虑弹丸低速冲击靶板过程中靶板整体塑性变形及弹性变形恢复,更好地反映弹丸对靶板低速侵彻过程中的变形及材料失效问题,使用非线性动力学分析软件ANSYS/LS-DYNA计算分析了弹丸以相同速度冲击不同边长、厚度靶板时,弹丸反弹速度以及靶板回弹速度随着靶板厚度...     

高孔隙率闭孔泡沫铝的低应变率压缩行为

通过落锤冲击实验研究高孔隙率闭孔泡沫铝的动态压缩性能及抗低速冲击特性, 同时通过高速摄影仪观察试件的动态压缩行为, 并记录落锤冲击速度的衰减过程. 结果表明, 高孔隙率闭孔泡沫铝的抗冲击缓冲效果明显, 且在低速冲击条件下其变形特征与准静态变形类似. 采用有限元方法分析了落锤和泡沫中应力的分布特点以及表面摩擦系数对应力分布的影响. 由于摩擦力阻碍了接触面处泡沫的横向位移, 致使其压缩外形呈``鼓形'; 在低速冲击时, 应力在泡沫铝试件内部的传播周期远小于冲击的缓冲时间, 应力波现象并不明显, 应力的变化与准静态压缩时相似. 在考虑接触面上摩擦力的基础上, 通过第2类Lagrange方程建立了落锤-泡沫材料的碰撞解析模型, 将预测的落锤冲击速度的衰减过程分别与实验和有限元结果进行比较, 取得了较为一致的结论, 并进一步讨论了不同冲击速度和材料参数对冲击过程的影响.      

预处理方法在全速度流场中的应用研究

应用预处理方法求解二维可压缩Navier-Stokes方程,发展出一套既适用于低速流动,也可用于可压缩流动的全速度流场解算方法.空间格式选用Ausm类格式,并采用多步Runge-Kutta时间推进方法.数值模拟了鼓包(Bump),RAE2822翼型,多段高升力翼型的不同速度绕流流场,并与实验数据进行了对比.结果表明预处...     

光栅试验台的自适应模糊补偿器设计

在惯导测试设备设计过程中会经常碰到摩擦干扰问题,作提出了一种采用自适用模糊补偿器的控制系统设计方案,以克服光栅试验台隐速中影响低速平稳性的摩擦干扰。首先,采用传统方法,基于对象的简化线性模型来设计ＰＩ控制器,然后利用自适应模糊技术对摩擦干扰进行了补偿。这种方案能较好地克服摩擦干扰来的低速性能差的问题。     

ANALYSIS OF GROUND VIBRATION CONTROL BY GRADED WAVE IMPEDING BLOCK

波阻板（wave impeding block,WIB）隔振体系是一种有效的振动污染治理措施,虽逐渐被应用在工程实际中,但以往的研究多集中于单相固体均质材料的情形,而对材料特性沿空间连续变化的非均匀固体材料的波阻板隔振性能的研究相对较少.基于功能梯度材料（functionally graded material,FGM）特点,本文提出了以功能梯度波阻板作为隔振屏障的一类新型的地基振动控制体系.考虑在弹性地基内部设置梯度波阻板,基于线弹性理论,利用傅里叶积分变换,根据Helmholtz矢量分解原理,建立了弹性地基在动载荷作用下的回传射线矩阵法（reverberation ray matrix method,RRMM）计算列式.假设梯度波阻板的物理力学性质沿深度方向按幂函数连续变化,采用数值傅里叶逆变换获得了弹性地基的位移和应力等物理量的数值解.通过数值算例,与单相固体均质波阻板进行了对比,并分析讨论了梯度波阻板的材料梯度因子、埋深以及梯度波阻板厚度等物理力学参数对地基隔振性能的影响规律.结果表明,梯度波阻板能有效降低振动的振幅,与单相固体均质波阻板相比,梯度波阻板具有更好的减振隔振效果.地基的位移幅值和应力幅值随着梯度因子的增大而减小.梯度波阻板的隔振效果随着波阻板厚度的增大而提高,而随着梯度波阻板埋深的增大而降低.     

梯度波阻板的地基振动控制研究

波阻板(wave impeding block,WIB)隔振体系是一种有效的振动污染治理措施,虽逐渐被应用在工程实际中,但以往的研究多集中于单相固体均质材料的情形,而对材料特性沿空间连续变化的非均匀固体材料的波阻板隔振性能的研究相对较少.基于功能梯度材料(functionally graded material,FGM)特点,本文提出了以功能梯度波阻板作为隔振屏障的一类新型的地基振动控制体系.考虑在弹性地基内部设置梯度波阻板,基于线弹性理论,利用傅里叶积分变换,根据Helmholtz矢量分解原理,建立了弹性地基在动载荷作用下的回传射线矩阵法(reverberation ray matrix method,RRMM)计算列式.假设梯度波阻板的物理力学性质沿深度方向按幂函数连续变化,采用数值傅里叶逆变换获得了弹性地基的位移和应力等物理量的数值解.通过数值算例,与单相固体均质波阻板进行了对比,并分析讨论了梯度波阻板的材料梯度因子、埋深以及梯度波阻板厚度等物理力学参数对地基隔振性能的影响规律.结果表明,梯度波阻板能有效降低振动的振幅,与单相固体均质波阻板相比,梯度波阻板具有更好的减振隔振效果.地基的位移幅值和应力幅值随着梯度因子的增大而减小.梯度波阻板的隔振效果随着波阻板厚度的增大而提高,而随着梯度波阻板埋深的增大而降低.