高超声速飞行器表面对流气动加热快速预测方法

构建了高超声速飞行器表面驻点及其下游区对流气动加热的一种快速预测方法．首先,采用工程方法计算飞行器表面无黏流场,针对工程方法的熵吞没效应,将质量流量平衡法与轴对称比拟法相结合对边界层外缘进行熵修正;其次,推导出采用线性方程拟合飞行器表面流场的拟合方程;在此基础上,发展出基于线性流场和线性物面方程的轴对称比拟法,大幅度降低了复杂度和计算量;对于驻点区域,引入隐式曲面拟合驻点主曲率半径并构造鲁棒的驻点区热流计算方法．采用球锥体和仿空天飞行器等多种外形验证了方法的有效性,计算结果表明：1）所述方法总耗时约1S即可预测出气动加热,并且预测结果与CFD模拟或者试验测量数据比较一致;2）在飞行器表面流线扩展区域,进行熵修正可进一步提高预测精度,在流线不扩张区域,采用等熵或变熵无黏流场的预测结果差别微小．     

高超声速飞行器准平衡滑翔自适应制导方法

针对高超声速飞行器同时满足终端约束及过程约束的再入滑翔制导问题,提出了一种全新的准平衡滑翔自适应制导方法．该方法充分利用升力式再入飞行中的准平衡滑翔现象,并以准平衡滑翔条件（QEGC）为核心,一方面,利用QEGC的特定弹道形式实现对终端速度及射程的精确解析预测;另一方面,借助QEGC将传统预测类制导方法难以处理的飞行过程约束转化为攻角约束．该算法不依赖于标准轨迹,实现了制导指令倾侧角及攻角均采用解析公式实时解算,使制导方法具备了自适应能力．CAV-H飞行器制导实例仿真表明,该制导方法能够导引飞行器平衡滑翔飞行,满足终端约束和过程约束,并且对任务临时改变具有自适应性．该制导方法的鲁棒性通过Monte Carlo仿真得到验证．     

一种集成通用高超声速飞行器气动工程预测系统

本文建立了一种面向高超声速飞行器的集成通用气动预测系统.通过引入CAD/CG建模技术实现了复杂飞行器3D几何模型的快速准确建模,并可以利用网络上的共享模型资源直接计算.引入FEM技术和自由网格生成算法,实现了复杂飞行器模型的快速网格生成.设计并开发了通用面元几何分析程序,建立了外法线快速矫正方法.基于面元气动分析理论开发了面元气动分析求解器,实现了面元气动计算和整机气动参数整合,能计算飞行器的气动力、力矩和气动导数.通过软件集成调用技术,将几何建模、面元划分、面元分析、面元气动计算以及后处理集成在统一的软件系统中,实现了高超声速飞行器气动参数的全自动计算与分析.HTV-2和航天飞机的仿真计算结果表明了该系统的有效性.     

气动热-气动弹性双向耦合的高超声速曲面壁板颤振分析方法

建立了气动热、气动弹性双向耦合高超声速二维曲面壁板颤振分析方法．基于柯西霍夫假设和冯卡门非线性应变．位移关系,建立了考虑几何非线性的二维简支曲板的气动．热．弹性分析方程;使用迦辽金方法对方程离散处理,采用四阶龙格．库塔法求解微分方程;三阶活塞理论用于气动力分析;使用参考温度法和平板气动热公式计算气动热．研究中重点考虑：1）气动热与气动弹性双向耦合,既分析气动热对结构刚度的影响,又分析气动弹性对气动热的影响;2）结构温度随飞行时间的积累效应;3）弦向和厚度方向非均匀温度分布的影响;4）曲面壁板的初始变形对壁板颤振发生时刻的影响．通过与传统的只考虑气动热．气动弹性单向耦合的分析结果进行对比,发现基于气动热和气动弹性双向耦合的壁板颤振分析结果更危险,这一点在精确分析中应当予以重视．     

乘波布局高超声速飞行器纵向静稳定特性分析

高超声速滑翔飞行器稳定性设计方法的研究具有重要应用价值.乘波体构型滑翔飞行器由于没有平尾且飞行在高空、高超声速条件下,其纵向静稳定特性与常规飞机有很大不同,对此传统飞行力学并无相应设计依据.在相切锥乘波体理论基础上,本文建立了计及流向一阶导数和二阶导数的微元计算模型,结合牛顿法、活塞理论、切楔/切锥法的理论推导与CFD数值计算,研究了典型二维剖面在高超声速、宽攻角范围下的纵向静稳定特性,从理论角度证明了沿流向＂下凸＂的流线特征有利于保证纵向静稳定,而＂上凹＂形状特征不利于纵向静稳定,该结论通过二维和三维算例得到了验证.以上述分析为基础,解释了基于锥型流的乘波体难以满足纵向静稳定性的物理原因,以及俯仰配平舵面可能对纵向静稳定性带来的影响,并提出了相应解决方案.进一步分析表明该结论适用于宽马赫数和宽高度范围,且黏性作用并不改变上述规律,相关结论可作为高超声速滑翔飞行器气动设计的参考.     

自平衡法试桩转换系数数值试验

采用三维有限元方法对桩顶压桩和桩底托桩承载特性分别进行模拟分析,研究了自平衡静载试验法中的转换系数。分析桩长、土类对荷载传递特性及转换系数的影响。结果表明：无论是在砂土还是在黏土中,随着桩长的增加,转换系数的变化曲线均呈凹形,类似抛物线形状分布;转换系数存在着极小值,不同土类转换系数的极小值不同,在35～55m桩长范围内可能出现托桩的极限承载力大于压桩的极限承载力的情况。     

基于激波形状控制的定几何高超声速可调进气道概念及初步验证

针对现有定几何高超声速进气道低马赫工作时流量系数低、溢流阻力大, 变几何高超声速进气道结构复杂、附加重量大、可靠性低等缺点, 提出了一种基于激波形状控制的固定几何高超声速可调进气道概念, 给出了其实现模式, 并进行了初步的验证. 研究结果表明, 该可调进气道能够依靠自身的高压驱动来实现对口部波系、有效喉道面积的调节, 使进气道在低马赫数下的流量系数相对于常规定几何高超声速进气道提高20%以上, 前体阻力系数下降8%以上, 其性能特征对于改善高超声速飞行器的低马赫数加速性能特别有利.     

煤层冲击倾向性试验及数值模拟

冲击地压是一种特殊的矿山动力现象,而冲击倾向性是煤岩体发生冲击地压的内在因素和必要条件.对松树镇煤矿主采煤层进行冲击倾向性试验,对冲击能量指数、弹性能量指数和动态破坏时间三个煤层冲击能量指标进行分析,得出煤层无冲击倾向性.但对开采煤层数值模拟,得出深部煤层顶部最大主应力值、顶板下沉较大,需要实施一定的防治措施.这为该矿防治冲击地压提供了科学依据.     

双块式无砟轨道温度场试验研究和数值分析

为较准确掌握无砟轨道温度场的分布规律,建立无砟轨道温度与环境温度的对应关系,为温度应力的计算和无砟轨道设计提供基础参数,本文测试了双块式无砟轨道不同部件、不同位置的温度和环境温度变化情况,建立有限元模型对无砟轨道温度场进行了数值模拟和对比.实测数据及数值模拟的结果均表明:道床板温度随外界气温呈以日为周期的周期性变化,秋季平均每天的升温时间约为8 h,降温约16 h;由于热交换条件的差异,距轨道表面越远,轨道温度受环境气温的影响越小,道床板角部的温度变化幅度大于中部,支撑层与基床表层的温度变化幅度很小;道床板内存在较大的温度梯度,随着距表面距离的增大,温度梯度逐渐减小,至支撑层时温度梯度可忽略不计;采用有限元模拟的方法获取无砟轨道温度随气温变化规律是可行的.     

双吸离心泵空化特性的试验及数值模拟

试验测量了一台双吸离心泵的能量特性和空化特性.基于RNG k-ε湍流模型和质量输运空化模型,探讨了质量输运空化模型中凝结项经验系数对数值模拟结果的影响,结果发现凝结项经验系数主要影响叶轮内空泡长度.在此基础上,修正了双吸离心泵空化流动数值模拟中凝结项经验系数的取值,计算得到的双吸离心泵扬程随进口压力变化曲线与试验结果吻合较好,验证了数值计算模型和方法的准确性和可靠性.双吸离心泵空化流动数值模拟结果表明:随着泵进口压力的降低,空化首先在叶片吸力面进口附近的低压区发生,之后沿叶片吸力面往叶轮流道中部发展,并向叶片压力面扩散;受双吸离心泵蜗壳非对称结构的影响,叶轮内不同流道的空化区域分布不均匀.     

固体中应力产生和消除空位及非平衡晶界偏聚

确定固体内如何产生和消除过饱和空位, 对于了解材料的许多物理过程是至关重要的, 如固态扩散、晶界偏聚和超细晶材料的晶界稳定性等. 晶界通常被认为是空位的源或阱. 但是, 在弹性应力场作用下, 晶界有何变化仍然是不清楚的. 提出了弹性范围内的压应力作用下晶界作为源会发射空位, 张应力作用时晶界作为阱会吸收空位. 这是除现在已公认的5种固体中产生和消除过饱和空位之外的第6种基本物理过程. 在此基础上, 建立了一套动力学方程, 模拟Misra等人的张应力时效实验结果, 证实了上述基本物理过程的存在.     

新型三元催化器设计及其压力损失数值分析与试验

在传统三元催化器的基础上,设计了一种新型三元催化器,提高了气流均匀性,降低了系统流阻,提升了系统性能。建立了新型三元催化器数值计算模型,并考察了不同的扩张角、收缩角和来流速度对催化器流动特性的影响。此外,还搭建了三元催化器压力损失测试试验台,验证了数值模拟得出的催化器压力损失随流量的变化趋势与试验测试变化趋势的一致性。试验结果表明,新型三元催化器中的导流板和旁通孔可以减小压力损失,且在设计三元催化器需要考虑压力损失的影响时,FLUENT数值模拟仿真计算可以提供一定的帮助。     

建(构)筑物拆除爆破塌落触地的试验研究及数值模拟

利用混凝土块自由下落撞击C40、C30、C20混凝土平台来模拟建(构)筑物拆除爆破塌落触地引起的地震效应。使用爆破振动智能检测仪等设备,通过改变混凝土块自由下落高度、冲击面状态(长、短边朝测点的方向)、混凝土平台类型来检测塌落体触地产生的振速和振动频率。分析试验数据:以C40平台为例,下落高度为10 cm,当变为5 cm时,混凝土平台水平方向上离落点距离为40 cm、80 cm处的两个测点最大振速减少了33.4%、21.7%;当其他条件相同,仅改变冲击面状态,由短边变为长边时,最大振速下降16.2%;当平台由C40变为C20时,最大振速下降37.4%。通过数据分析可知:建(构)筑物拆除爆破过程中,地面刚度越高、塌落高度越高、冲击地面为短边朝向测点时,塌落体引起最大振速越大,对周围保护对象造成的危害越大。因此在工程实践中,采取措施减少这些因素引起的损失很有必要。最后,通过ANSYS/DYNA对试验过程进行数值模拟,得到撞击瞬间混凝土块受力大小情况和撞击平台的混凝土块中心处的瞬时振速。试验所测振速与模拟结果有较好的吻合。     

阶梯溢流坝水流数值模拟及特性分析

针对Mixture模型,考察了Realizable k-ε模型,SSTk-ω模型,v2-f模型,LES模型等4种湍流模型对阶梯溢流坝水流数值模拟的适用性.通过对非掺气区域坝面平均流速、旋度大小、边界层厚度的计算,并与实验结果进行分析比较,结果表明：Realizable k-ε模型考虑了流体微团的旋转效应,提高了对较大曲率流动、旋流流动和涡旋运动的计算精度,对阶梯溢流坝有很好的适用性.以Realizable k-ε模型计算结果为基础,进一步分析了边界层内的速度分布、阶梯面压力分布等坝面水流特性.     

一种岩石损伤流变模型及数值分析

根据石膏角砾岩的蠕变特性,建立石膏角砾岩的损伤流变模型;推导有限元计算中黏弹塑性损伤流变模型黏性应变的计算公式,结合初应变法的基本原理,分析模型的有限元求解过程;用MATLAB编制了损伤流变模型的平面应变有限元计算程序。利用编制的程序对石膏角砾岩蠕变试验进行有限元分析,有限元计算结果与蠕变试验结果吻合得较好,表明采用统计损伤理论研究岩石的非线性流变是可行、有效的。     

渗透型高聚物在富水砂层中堵水规律试验与数值模拟研究

渗透注浆是修建隧道穿越富水砂层时防渗堵水的重要方法之一.与普通化学浆液不同的是,该渗透型高聚物在浆液扩散过程中具有双组分反应并快速固结的特点,适用于在富水砂层中注浆堵水.然而由于其扩散过程中的快速固结的特点,使得其在富水砂层的扩散规律更为复杂.为了研究该渗透型高聚物在富水砂层中的堵水效果,制作了一套可视化的富水砂层渗透注浆模型试验装置,该装置具备可观察浆液扩散距离、监测注浆前后孔隙水压力变化和测量堵水率等功能.以堵水率、渗透系数作为评价富水砂层渗透注浆堵水防渗效果的性能指标,选取砂层粒径、动水压力、注浆压力和黏性土含量4个因素作为渗透注浆的影响因素,开展了砂层渗透注浆堵水防渗效果的正交试验,获得了影响渗透型高聚物浆液在富水砂层渗透注浆效果的主控因素以及各单因素对注浆效果的影响特征.同时,对模型试验进行了数值模拟,重点分析了注浆过程中的浆-水两相渗流场压力、流速和浆液扩散的变化过程,并与试验实测浆液扩散距离进行了对比验证.研究结果表明:(1)富水砂层经渗透型高聚物注浆后, 10 min内堵水率可达到90%以上, 1 d渗透系数可达到10^-7cm/s数量级,达到了理想...     

茶条岭隧道数值模拟分析与研究

以十堰至天水高速公路茶条岭隧道现场的监测数据为依据,运用大型有限元软件 MIDAS,采用三维模型模拟隧道开挖过程,并将数值模拟的结果与实测数据的分析结果相对比.分析表明围岩在初期支护施工一段时间后,经过应力调整,其变形和支护结构受力趋于稳定,拱顶下沉和周边位移满足监控管理标准规定     

风力机翼型气动参数影响分析及叶片粗糙敏感性评价指标探讨

水平轴风力机叶片表面特别是前缘粗糙度增大会导致叶片气动性能的下降和风力机输出功率的减少,因此粗糙敏感性是叶片设计必须考虑的一个重要因素.但是如何评价叶片粗糙敏感性,目前尚无统一的标准.本文从理论和实际出发,分析了翼型气动参数对叶片气动性能的影响,得出了翼型升力系数是风力机输出功率和轴向推力的主要影响参数,并提出了变桨型水平轴风力机叶片各区段翼型的粗糙敏感性评价指标,即是在定桨调速区,无反馈运行情况下,叶片外侧翼型应以升阻比和升力系数,叶展中区和叶片内侧翼型应以升力系数作为粗糙敏感性评价指标;有反馈运行的情况下,叶片外侧翼型就应以最大升阻比和设计升力系数,叶展中区和叶片内侧翼型以最大升力系数作为评价指标;而在变桨定速区,当变桨可以保证达到额定功率时就无需考虑粗糙度的影响.     

非导电工程陶瓷高能量电容单脉冲放电高效加工试验研究

针对传统加工方法在加工非导电工程陶瓷时存在加工效率低、成本高以及加工表面质量差等缺点,本文提出了非导电工程陶瓷高能量电容高效电火花加工新方法,并进行了单脉冲放电试验研究,结果表明,该方法采用高电压大电容以及较高的放电能量,能够较大地提高材料去除效率,单次脉冲放电陶瓷去除量可达17．63mm3．对加工极性、峰值电压、电容、限流电阻、工具电极进给方式、工具电极截面积以及辅助电极厚度等参数对陶瓷蚀除坑体积、工具电极损耗以及辅助电极损耗等性能的影响进行了试验研究与理论分析,得到了相应的规律关系．采用扫描电子显微镜对单脉冲放电坑的微观形貌进行了观测．结果表明：放电坑表面呈溅射状,陶瓷主要以剥落方式去除,放电通道中心区域部分材料以熔化蒸发方式去除,且材料去除效果随着加工参数的增大而增强．     

光滑明渠内正弦型非恒定流传播特性试验研究

建立了一套高精度的明渠非恒定流试验系统,并进行了多组正弦型明渠非恒定流试验以详细研究明渠非恒定流的传播特性.通过试验数据分析获得了明渠非恒定流的传播速度、波的变形率、波峰和波谷的外包线等参数的变化规律.结果表明：（i）明渠非恒定流的传播速度可以用波峰时的微波波速及流速之和来表示;（ii）非恒定流传播过程中会发生时间尺度上波的变形,上升段变短而下降段变长,但总的时间仍然保持不变,变形率是传播距离、周期和流量波幅的函数;（iii）波峰、波谷的水深同周期关系密切,当周期减小时,波峰、波谷水深均逐渐靠近平均流量对应的均匀流水深,当周期变大时,波峰水深靠近最大流量对应的均匀流水深,波谷则靠近最小流量对应的均匀流水深;（iv）非恒定流传播过程中,流量随不同周期的变化规律同水深变化规律基本类似.