融入压力分布信息的气动力建模方法

气动外形优化设计与飞行器性能分析中, 直接运用数值模拟或风洞实验获取气动力的成本高, 构建代理模型是提高外形优化和性能分析效率的重要途径. 然而, 构建模型的过程中, 研究者只关注积分后的气动力和力矩信息. 本文通过充分利用采样过程中所产生的压力分布信息, 来提高建模的精度和泛化性, 进而降低样本获取的成本. 提出了一种小样本框架下融入压力分布信息的气动力建模方法, 首先通过数值模拟或风洞试验获得不同流动参数状态下翼型表面的压力分布信息和气动系数, 其次通过本征正交分解技术对压力分布信息进行特征提取, 获取不同输入参数状态下压力分布信息对应的POD系数, 之后结合输入参数通过Kriging算法对压力分布信息进行建模, 将压力分布信息积分得到低精度气动系数的预测模型, 最后低精度气动系数结合输入参数通过Kriging算法构造高精度的气动系数预测模型. 通过同状态变翼型算例以及CAS350翼型变状态算例进行验证, 该方法相比于传统的克里金模型直接预测气动力, 有效提高了气动力的预测精度和模型的鲁棒性, 同时缩小了学习样本的数据量.      

无人机螺旋桨气动力设计

结合某太阳能无人机总体设计方案要求,完成了无人机动力系统螺旋桨气动力设计任务。采用Glauert提出的片条理论作为螺旋桨气动特性的计算方法,并通过算例验证了该方法的可靠性。为使螺旋桨在电机输出功率约束下、在整个飞行包线范围内维持较高的气动效率,低雷诺数、高升阻比桨叶基本翼型的设计和桨叶角分布的优化设计是关键。对设计结果进行的全面系统的分析评估表明:在不同飞行状态下以及电机额定输入功率范围内,螺旋桨效率始终维持在80%左右,且巡航状态下其效率的最佳点与电机的额定功率完全匹配。     

模型昆虫翼作非定常运动时的气动力特性

基于Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程的数值解,研究了一模型昆虫翼在小雷诺数（Ｒｅ＝１００）下作非定常运动时的气动力特性,这些运动包括：翼启动后的常速转动,快速加、减速转动,常速转动中快速上仰（模拟昆虫翼的上挥或下拍、翻转等运动）有如下结果：在小雷诺数下,模型昆虫翼以大攻角（α＝３５°）作常速转动运动时,由于失速涡不脱落,可产生较大的升为系数。其机理是：翼转动时,翼尖附近（该处线速度大）上翼面压强比翼根附近（该处线速度小）的小得多,因而存在展向压强梯度,同时存在着沿展向的离心力,此展向压强梯度和离心力导致的展向流动在失速涡的轴向方向,其可避免失速涡脱落。模型昆虫翼在快速加、减速转动和快速上仰运动中,虽然雷诺数小,但由于在短时间内产生了大涡量,也可产生十分大的气动力,例如在快速上仰运动中,升力系数可大于１０。     

相对弯度对低雷诺数流动中翼型动态气动力特性的影响

以固定翼微型飞行器为研究背景,研究了相对弯度对低雷诺数流动中翼型动态气动力特性的影响规律。采用Roe迎风差分格式和双时间步迭代方法,数值求解拟压缩性修正不可压Navier-Stokes方程组,给出了数值算法与实验数据的对比验证。以翼型弦长为特征长度,在Re=500~50000情况下,选取不同最大相对弯度和不同最大相对弯度位置的翼型,计算了其等速上仰时的动态气动力,结果表明后者对气动力的影响比较显著,把最大弯度位置布置在翼型弦向40%的地方要比布置在30%和50%两处所获得的动态升阻比大。     

任意压力分布下活塞环自由形状的解析解

活塞环是内燃机中重要零件.活塞环接触压力分布与相应的自由形状之间关系,已有多种理论论述,这些理论均采用特定压力分布假定.本文从薄圆环弯曲的基本微分方程出发,推导了在任意压力分布时活塞环自由形状,且编制了相应计算程序,对设计制造新型活塞环有指导意义.     

双面抛光工艺的流场压力分布

建立了双面抛光工艺中晶片上下表面的压力分布模型,获得了晶片和抛光垫表面的速度分布关系,分析了自由晶片在抛光过程中的运动状态以及在压力荷载及转矩平衡时晶片上下表面的平均压力分布。数值计算结果表明:荷载压力越大,平均压差率越小;抛光垫转速越小,太阳轮转速越小;抛光液粘度越小,平均压差率越小。同时,根据通过调整抛光参数组合获得了最小的平均压差率,并利用正交实验法数值分析。研究发现抛光工艺参数对压力分布影响的主次关系依次为荷载压力、抛光液粘度、抛光垫转速、太阳轮转速。     

轴向间隔装药爆破沿炮孔的压力分布

模拟了三种不同装药结构分别采用正向、反向和两端起爆时的应力波传播、叠加过程。增大炮孔 顶部装药量,采用正向和两端起爆均可以显著提高炮孔中部压力。三种模型反向起爆时,炮孔堵塞段的压力 均高于另两种起爆方式。将反向起爆下各模型沿炮孔的压力曲线进行比较,发现增大顶部药量后,压力分布 更为均匀,且平均压力最大。将模拟结果应用到现场实验,基本消除了大块矸石,提高了岩石充填的效率。     

离心力场中管道内油液压力分布特征研究

在离心力场中，液压系统能否正常工作取决于离心力液压系统的影响，通过从离心力场中管道内油分布特征入手，研究了离心液压随管道安放方向的不同所具有性质，对离心力场中液压系统的进一步设计具有指导意义。     

大湍流度高雷诺数时并列双圆柱的平均和脉动压力分布

本文通过风洞实验研究了来流湍流度,Iu=10％雷诺数分别为Re=1.95×10~9和Re=6.5×10~5时单个圆柱和不同间距比下并列双圆柱的平均和脉动压力分布。结果表明:在Re=1.95×10~5时单个圆柱的平均压力分布类似于低湍流度高超临界雷诺数时的压力分布;当雷诺数增大至6.5×10~5时,绕圆柱表面流动的分离点前移和背压绝对值提高,总的阻力系数随之增加。并列双圆柱的间距比变化对圆柱表面压力分布影响很大,在极小间距比(N/d=1.05)时,双圆柱间的缝隙流使附近柱面产生高达-5的压力系数峰值(Re=6.5×10~5),同时脉动压力也大为增加;在较小间距比时(1.5     

复杂外形飞行器压力分布CFD数值模拟与试验结果比较

为观察粘性效应对物面压力分布的影响,并验证 CFD 数值模拟方法的计算结果,设计了翼-身-舵组合体模型,利用航天空气动力技术研究院的FD-20炮风洞,在马赫数Ma分别取6、8且攻角α分别取0o、10o、20o的条件下进行了风洞测压试验,同时用Euler方程和N-S方程计算了模型的表面压力并与试验结果进行了比较。结果表明：除少数测点外,弹身、弹翼、舵面及弹身-弹翼干扰区的 Euler方程和 N-S方程计算结果都比较一致,除了攻角α=20°时的弹翼外,计算结果都与试验结果吻合较好。攻角α=20°的极小展弦比三角弹翼,由于侧前缘脱涡等分离现象的存在,实验值普遍高于计算值10%～15%,但变化趋势一致。因此,在采用CFD数值模拟与工程计算相结合的方法进行气动加热或非定常气动力的计算中,采用Euler方程代替N-S方程求解边界层外缘参数和当地流参数是合理的。     

新型环面节流静压气体球轴承压力分布的实验研究

设计了新型环面节流闭式静压气体球轴承及其测试装置,特别是球窝上测压孔的分布位置,介绍了轴承加工工艺及其制造精度的检测结果,以及压力分布测试系统的工作原理,研究了气膜压力分布规律.结果表明,实验结果验证了理论分析方法的正确性.由于研磨工艺的限制使得试验球窝呈喇叭口状,造成球窝边缘的实测压力小于理论计算压力值.轴承的制造误差、模型误差以及计算误差是主要的误差来源,在开发新型结构静压气体球轴承的过程中,轴承的制造工艺以及零件的检测技术非常重要.     

气动力辅助变轨的数值模拟

采用了航天器在行星上层大气中进行高超声速飞行时的轨道动力学方程,针对航天器从地球静止轨道转移到一个共面圆形低地轨道的变轨过程,进行了气动力辅助变轨过程的模拟.在变轨过程中,航天器从地球静止轨道开始,经过8次大气路径,耗时43.7小时,到达圆形低地轨道,与霍曼转移进行对比,其所消耗的推进剂质量仅为霍曼转移的41%.研究结果表明:气动力辅助变轨技术能够在降低推进剂消耗的情况下实现航天器的轨道转移.     

桥面槽缝对桥梁断面静态压力分布影响的实验研究

大跨度斜拉桥或悬索桥的桥梁主梁断面的气动外形是桥梁设计者们很关心的问题之一。对主梁节段模型气动力的风洞实验研究一般都只考虑了来流攻角以及模型本身结构外形的影响，而现今不少大桥在双向来回车道的中间开有槽缝，工程上可以用来改善桥面的空气动力特性以及桥梁本身的稳定性，对于这方面的实验研究进行得不多。本文拟通过风洞实验对某大桥桥梁主梁断面在各种开槽情况下的静态压力分布进行研究，进而对断面各测点的压力分布进行矢量求和获得升力系数、阻力系数和升力矩系数，由此来研究开槽与否以及开槽大小对该桥梁主梁断面的气动力的影响，同时也研究了槽中央隔板的存在对气动力系数的影响。研究表明，隔板的有无对气动力并无明显的影响，而开槽与否以及槽宽的大小对压力分布、升阻力系数以及升力矩系数有明显的影响。     

模型昆虫翼作非定常i运动时的气动力特性

基于Navier-Stokes方程的数值解,研究了一模型昆虫翼在小雷诺数(Re=100)下作非定常运动时的气动力特性.这些运动包括翼启动后的常速转动,快速加、减速转动,常速转动中快速上仰(模拟昆虫翼的上挥或下拍、翻转等运动).有如下结果在小雷诺数下,模型昆虫翼以大攻角(α=35°)作常速转动运动时,由于失速涡不脱落,可产生较大的升力系数.其机理是翼转动时,翼尖附近(该处线速度大)上翼面压强比翼根附近(该处线速度小)的小得多,因而存在展向压强梯度,同时存在着沿展向的离心力,此展向压强梯度和离心力导致的展向流动在失速涡的轴向方向,其可避免失速涡脱落.模型昆虫翼在快速加、减速转动和快速上仰运动中,虽然雷诺数小,但由于在短时间内产生了大涡量,也可产生十分大的气动力,例如在快速上仰运动中,升力系数可大于10.     

球形爆炸容器内炸药爆炸形成的准静态气体压力

准静态压力是爆炸容器设计的重要参考数据。在球形爆炸容器内开展了爆炸加载实验,压力传感器采用齐平和导孔两种安装方式,均获得了准静态压力数据,且两组数据一致。理论推导了准静态压力的表达式,并通过拟合实测数据得到经验公式。研究结果表明：（1）爆炸冲击波在容器内部往返3次后,容器内气体压力进入准静态;（2）准静态压力与当量容积比近似呈正比例关系,比例系数为1.10 MPa·m³/kg TNT。

     

低渗岩心驱替过程中的压力分布特征研究

考虑低渗岩心的应力敏感性,通过实验和数值计算,研究了一维水驱油过程中,压力的分布及变化规律,并对其影响因素进行了分析. 结果表明：压力分布由于受到应力敏感性的影响而显示出明显的非线性特征,在前缘面处存在一个明显的分界点;应力敏感性程度、黏度比对压力分布的影响较大.     

圆柱附加旋转整流罩表面压力分布及气动力特性

对圆柱附加固定整流罩的已有研究表明,它在降低升阻力和抑制涡激振动方面有优良的效果。但固定整流罩具有方向敏感性,当来流方向改变后效果会受到显著影响,甚至起到增加升阻力和加剧涡激振动的反作用。本文给圆柱附加了圆弧直径为40mm,形状夹角α分别为30°、45°、60°、75°和90°五种尺寸的旋转整流罩,并进行了风洞实验。其中整流罩可以自由地围绕圆柱轴线旋转。实验结果表明:旋转整流罩在流体力产生的力矩作用下,旋转至一个偏离尾流中心线固定角度的动态平衡位置,而平衡位置偏转角δ随着形状夹角α的增大而增大。附加旋转整流罩后,相对单圆柱能够提高尾迹区域压力,并能使时均阻力和脉动升力分别在α=30°和α=75°时获得最大43.5%和67.0%的降低。此外,对于小α(α≤60°)情况,漩涡脱落频率明显高于单圆柱情况,而对于大α(α≥75°)情况,则与单圆柱情况相接近。所有旋转整流罩升力主频的幅值较之单圆柱有了很大程度的降低,可见旋转整流罩在抑制漩涡脱落方面有很好的效果。     

大直径桩柱辐射与绕射问题的自由面压力分布解

关于自由面压力分布与浮体运动的等价性是一类新的逆问题。本文以大直径垂直圆柱桩的辐射和绕射问题为对象，寻求相应的自由面压力分布解。研究表明，该解的确定依然可以归结为含复数核的第一类Ｆｒｅｄｈｏｌｍ积分方程的求解问题，正则化解法是十分有效的。文中进而讨论了水深、振动频率等参数对自由面压力分布的影响。