高超声速飞行器宽速域翼型多目标优化设计研究

高超声速飞行器正向着速域更宽、空域更广、航程更远的方向发展.因而对于现代高超声速飞行器的设计而言，除了保证高超声速的性能外，还必须兼顾满足工程需求的亚声速、跨声速、超声速特性.文章对薄翼型在不同速域下的流动机理进行分析，总结了不同速域下翼型增升减阻的设计准则，然后采用RANS方程流动求解器，结合基于Kriging模型的代理优化算法，开展了高超声速飞行器宽速域翼型的优化设计研究.首先，以NACA64A-204翼型为基准翼型，采用线性加权法进行了考虑亚、跨和高超声速气动特性的多轮次宽速域翼型优化设计研究，得到了一种宽速域性能得到改善的新翼型.然后，以优化得到的新翼型为原始翼型，开展多目标优化设计，获得了宽速域翼型两目标和三目标的Pareto最优化解集.      

某组合体模型气动热数据相关性研究

为进行高超声速气动热数据相关性研究, 选取了一平板-锥组合体模型为研究对象, 开展不同缩比模型的风洞试验, 分别使用3种不同方法进行气动热试验数据的相关性研究.研究结果表明, 使用正激波后Reynolds数Re_ns和修正的黏性干扰系数V*/S_w可以将不同缩比模型不同来流条件下的Stanton数进行较好的关联, Stanton数与正激波后Reynolds数Re_ns成反比例关系, 与修正的黏性干扰系数V*/S_w成正比例关系.最后基于相关性研究结论和理论分析, 提出了一种模型表面传热现象的数学模型.      

临近空间高超声速飞行器气动力及气动热研究现状

临近空间高超声速飞行器具有速度快、突防能力强、杀伤力大等特点,是当今世界各军事强国新型武器的重点发展方向.其中,气动力和气动热是高超声速飞行器的两项重要指标,也是高超声速技术研究的重点内容.文章综述了国内外临近空间高超声速飞行器气动力及气动热研究现状,分析了研究的发展趋势,并分别从工程计算、数值仿真以及实验研究3个方面介绍了高超声速飞行器气动力及气动热的研究技术和方法.      

一种宽角域散射增强超表面的研究

提出并验证了一种基于超表面相位梯度设计以实现宽角域后向雷达散射截面(radar cross section, RCS)增强的设计思路.宽角域RCS增强超表面包含两个区域,分别设计大小相等方向相反的相位梯度,控制-45?和45?方向上的入射电磁波沿入射方向返回;电磁波垂直入射时,在一个区域内耦合为表面电磁波,传播至另一区域再次解耦为垂直反射的自由空间波,分别在-45?, 0?, 45?方向上形成散射峰,实现了在-45?—45?的宽角域范围内的RCS增强.仿真了宽角域RCS增强超表面在电磁波以不同角度入射时的电场分布和单站RCS,测试了加工样品在9—12 GHz频带内不同频点处的单站RCS,和仿真结果基本一致.结果表明:设计的宽角域RCS增强超表面在9—12 GHz的宽带频率范围内,在-45?—45?的宽角域范围内对于x和y极化入射波均有良好的RCS增强效果.     

高超声速气动试验模拟现状与面临的新挑战

高超声速飞行器的发展对地面试验模拟提出了新的要求, 但是, 现有条件还不能完全满足这些要求.文章首先回顾和概述了气动研究地面试验所应遵循的一般性相似准则, 分析了现行气动力热和推进试验模拟的不足和所面临的挑战.经分析认为, 面对这些挑战, 现行的主要参数模拟部件相似模拟和局部相似模拟等方法仍然有效, 但应加强相似理论对地面试验的指导和计算对试验的支撑性作用, 并在必要时通过飞行试验对不完全相似模拟结果进行验证与确认.      

吸气式高超声速飞行器气动力气动热的数值模拟方法及应用

对吸气式高超声速飞行器而言,物面热流和摩阻的准确预测对飞行器设计及安全十分关键.介绍采用CFD准确预测气动力和气动热的方法,包括流动的控制方程、湍流模型及湍流的先进壁面函数边界条件,介绍流动的数值求解方法.对典型超声速层流和湍流流动的摩擦阻力和热流进行详细的验证与确认,考察CFD工具在使用先进壁面函数边界条件后,湍流计算的法向网格无关性能力.对设计的一种吸气式高超声速飞行器的气动力和气动热进行数值模拟,为飞行器的气动设计及热防护提供了可靠的数据.     

高速流绕平板边界层特性研究

本项高超声速流绕平板的边界层特性实验研究在中国航天空气动力技术研究院(CAAA)的炮风洞中完成.为了研究分离流动特性, 选择了一项实验研究, 通过实验分别提供绕模型的附着流动与分离流动实验结果.其中第1个模型为顺流平板, 第2个模型为平板上安装突起物, 它们分别对应附着流与分离流动.文章专题研究平板绕流, 为附着流, 它是分离流动的基础.      

高超声速流场成像质量特性及校正方法

光学成像制导飞行器在大气层中以高超声速飞行时，其成像窗口附近强压缩流场的气动光学效应会导致成像过程出现抖动、偏移和模糊，影响制导精度.为研究该问题，搭建了基于高超声速（Ma = 6.0）炮风洞的气动光学地面模拟平台.利用高速摄像机获取了多种喷流压比状态下光学头罩成像图片，研究了成像特性.基于背景纹影技术（background oriented schlieren，BOS）直接获取气动光学畸变的点扩散函数信息，结合Wiener滤波方法对地面模拟平台获取的成像畸变结果进行了校正，并结合灰度分布、峰值信噪比（peak signal-to-noise ratio，PSNR）和结构相似度（structural similarity，SSIM）对校正结果进行了定性和定量评价.成像结果表明，头罩无冷却喷流时成像质量最好，在压力匹配附近头罩成像质量相对于欠压喷流和过压喷流成像质量较好.图像校正结果表明，风洞运行过程中采集的时间序列图像在校正之后所对应的灰度分布情况、PSNR和SSIM都得到提高.      

高能炸药爆速曲率关系的一种计算方法

研究平面爆轰波爆轰化学能和状态方程之间的关系,得到平面爆轰波关系式和CJ条件.基于柱坐标系下的一维流体力学方程组,采用坐标变换方法得到含曲率的爆轰波关系式及广义声速条件.在反应区内采用压力平衡和温度平衡的混合规则,在给定的复杂状态方程和复杂反应率下求解,得到PBX9404和PBX9502炸药的爆速和曲率的关系.已知炸药...     

某1＋1／2对转涡轮的气动设计及分析

针对某1＋1／2对转涡轮进行了气动设计及流场分析。在设计中,以降低高压转子通道中激波损失为目标,低压级载荷系数选择了较高和较低两种方案。分析表明,虽然第二种方案可以降低高压转子出口马赫数,但该方案亦具有过渡段损失较大等劣势,故本文最终选择了第一个方案。利用该方案,本文完成了1＋1／2对转涡轮的气动设计并对该涡轮进行了三...     

MW级超临界二氧化碳向心涡轮设计及分析

本文以某MW级超临界二氧化碳(S-CO2)向心涡轮为研究对象,对S-CO2向心涡轮的设计体系展开进一步探索,并利用一维分析方法和三维数值模拟方法对其进行气动分析.文中先介绍了本课题组已经开发完成的针对向心涡轮喷嘴和转子叶轮的一维气动优化设计方法,然后补充向心涡轮进气蜗壳的设计方法,最后利用三维CFD方法对设计方案的进气...     

三级跨音压气机设计工况气动性能分析

本文针对某三级高负荷轴流压气机开展数值研究,获得并分析其在设计工况下的总体气动性能以及各级性能的匹配特性.采用商业软件NUMECA作为CFD计算工具,并结合实验结果对数值方法进行验证.分析表明,网格无关性能够满足当前气动性能分析要求,设计转速与设计点性能计算结果与实验符合较好.第三级,特别是静叶,表现出较大的损失以及与...     

一款宽光谱鱼眼镜头的设计

讨论了一款用于监控侦查的鱼眼镜头设计.首先根据使用要求,选择了可以由图像直接提取出目标方位信息的等距离投影方式;又由系统对目标分辨率的要求,选择了焦距相对较长的全帧成像形式.通过合理布局系统结构及材料选择,使各种像差得到较好的校正,并通过加大光阑慧差改善系统照度均匀性.最终设计出工作波段486~900 nm,视场180°,F/2.8的宽光谱鱼眼镜头,设计结果系统全视场在乃奎斯特频率63 lp/mm处的调制传递函数大于0.3,边缘视场照度大于中心视场照度的50%,f-θ畸变小于3%,各项指标满足系统要求.     

一款宽光谱鱼眼镜头的设计

讨论了一款用于监控侦查的鱼眼镜头设计.首先根据使用要求,选择了可以由图像直接提取出目标方位信息的等距离投影方式;又由系统对目标分辨率的要求,选择了焦距相对较长的全帧成像形式.通过合理布局系统结构及材料选择,使各种像差得到较好的校正,并通过加大光阑慧差改善系统照度均匀性.最终设计出工作波段486～900nm,视场180°,F/2.8的宽光谱鱼眼镜头,设计结果系统全视场在乃奎斯特频率63lp/mm处的调制传递函数大于0.3,边缘视场照度大于中心视场照度的50%,f-θ畸变小于3%,各项指标满足系统要求.     

透射式内调焦宽光谱光学系统的设计与分析

为了在实现系统内调焦的同时保证宽光谱系统的优良像质,通过合理选材对宽光谱光学系统中存在的位置色差以及二级光谱进行校正,并提出了一种内调焦宽光谱光学系统的设计方法.建立内调焦消色差的数学模型,推导系统设计所需满足的公式.结合提出的数学模型与推导出的公式,以焦距为90mm、F数为2.8、具备内调焦功能的宽光谱光学系统为例进行验证.结果表明,系统可在420~900nm的宽光谱范围内对0.2~200km位置内的目标进行色差校正,验证了内调焦宽光谱光学系统设计方法与消色差数学模型的正确性.     

新型大视场消杂光眼底相机光学系统的设计

设计了一款大视场、免散瞳便携式眼底相机。综合考虑接目物镜被成像和照明系统共用、人眼的像差和视度差异等因素,采用16重结构进行优化设计。设计结果的视场角达60°,分辨率为200万像素,对-8 D~+10 D(1 D=1 m-1)的人眼普遍适用,在120 lp/mm处各视场的调制传递函数(MTF)均大于0.2,畸变小于5%。为消除角膜反射产生的严重杂散光,提出采用LED环形光源改进传统科勒式照明光路,不仅保证眼底照明均匀,而且大大提高了系统的光能利用率,降低了光学系统的复杂程度。为了解决传统系统中接目物镜杂散光无法消除的难题,提出采用偏振分光棱镜代替系统中的分光镜,同时在接目物镜前端加入λ/4波片,消除了99.5%以上的由接目物镜反射产生的杂光。     

某向心式蒸汽透平的气动设计与数值研究

本文针对太阳能热发电过程中蒸汽流量小、焓降高的特点设计了一种部分进汽的向心式蒸汽透平。所设计的蒸汽透平在流量仅为2.33 kg/s、压比为3.36的工况下仍有较高的效率。通过三维数值模拟的方法分析了导叶和叶轮内部流动特性,探讨了部分进汽对通道流通能力及总效率的影响。     

Design of a Compact Millimeter-Wave Microstrip Antenna with Wide Bandwidth and Broad Beamwidth

Design of a novel compact millimeter-wave microstrip antenna with wide bandwidth and broad beamwidth is presented. In the structure, multiple layers and a parasitic element as well as a coupling aperture are used to achieve wideband, while a conducting cylinder and the coupling aperture are used to obtain broad beamwidth. Finally, phased array with eight present elements has been designed as an example. Compared to traditional microstrip antennas and arrays, present antenna and array are of smaller dimension and broader beamwidth as well as wider bandwidth.     

Aerodynamic Analysis of Male-to-Female Transgender Voice

The attainment of a feminine-sounding voice is a highly desirable goal among male-to-female transgender (MFT) persons, but this goal may be difficult for many to accomplish. The characteristics associated with a feminine vocal quality include increases in fundamental frequency and in vocal breathiness. In this study, we used inverse-filtering of the airflow signal to indirectly assess vocal fold function in 13 MFT persons. Each participant was asked to sustain the vowel /a/ first in her biological male voice and then again in her female voice. In addition, these vowel productions were compared with vowels produced by age-matched biologic women and men. The results of the study revealed a significant increase in maximum flow declination rate during female voice production. Perceptual ratings of a feminine voice were associated with a fundamental frequency (F0) of 180 Hz or greater, although F0 did not differ significantly between male and female voice production. These results are discussed relative to the mechanisms that obtained a feminine-sounding voice.