合成双射流冲击平板流场结构与模态分解分析

为揭示合成双射流冲击平板流场结构特征,通过大涡模拟方法对合成双射流冲击平板流动进行了仿真,采用有限时间Lyapunov指数方法对流场的拉格朗日涡结构进行了识别,并与欧拉框架下的速度矢量和涡量结果进行了对比分析。结果表明,在合成双射流两股射流交替作用下,射流核心区涡系结构较为复杂且涡量丰富,远离核心区存在一对稳定的涡结构,且拉格朗日涡结构与涡量对应较好,为合成双射流冲击冷却的布局设计提供了指导。另外,流场本征正交分解表明,第一阶模态关于激励器出口中心轴线大致对称,其能量占总体能量的35%,前6阶模态的能量占80%;根据前6阶模态所反映的流场特性,合成双射流冲击平板流场具有高度的对称性。     

目次

为改善等离子体合成射流激励器在稀薄空气环境中的控制效果,增强其临近空间环境适应性,开展了腔体增压条件下激励器工作特性的研究。建立了腔体增压效果理论分析模型,计算结果表明:采用高压气源供气可以较好地提升激励器腔体气压,并且腔体气压对高压气源气压具有较好的跟随性,从而为射流强度调节提供了一种新的方式。搭建了腔体增压等离子体合成射流激励器实验系统,开展了腔体增压压力和射流流场特性测量,实验测量结果与计算结果吻合良好,误差小于2.6%。高速纹影观测显示:在腔体增压作用下,激励器控制力得到显著改善,射流锋面峰值速度由256 m/s提升至507 m/s。     

合成射流影响因素

在综合国外大量实验和数值模拟数据的基础上 ,对影响合成射流特性的驱动因素、结构因素进行了分析和总结 ,并且通过数值模拟的方法对雷诺数以及斯托罗哈数对合成射流的影响进行了研究。获得了反映合成射流激励器特征的函数关系式 ,为激励器的初步设计提供指导     

S弯进气道合成双射流流场控制特性分析

针对飞翼布局无人飞行器中S弯进气道明显流动分离和出口总压畸变等问题,提出了基于合成双射流的主动流动控制方法,建立了合成双射流的S弯进气道数值仿真模型。结果表明,在S弯进气道分离点附近施加合成双射流控制,在整个射流周期内通过“吹”“吸”接力可以有效抑制边界层流动分离,有效提升总压恢复系数。对比研究了合成双射流不同射流角度、射流峰值速度和激励频率对S弯进气道流场控制特性的影响规律。结果表明合成双射流与主流的角度越小,流动分离控制效果越好,较大射流峰值速度会对主流形成“阻挡”致使控制效果下降,激励频率与流场特征频率越接近控制效果越明显。     

并联放电等离子体合成射流激励器工作特性

等离子体合成射流激励器凭借射流速度高、工作频带宽、响应迅速等优势在高速流场主动流动控制领域具有良好的应用前景。为了克服单个激励器控制能力弱、控制范围窄的缺点,开展了并联放电等离子体合成射流激励器的研究,搭建了最多支持三路并联放电的微秒脉冲电源。测试结果表明,电源在空载及负载条件下可以实现1000 Hz稳定放电。随着放电电容的增大,放电电能的提高,等离子体电弧的温度升高,激励器腔体内气体被加热得更剧烈,产生的射流速度增大。随着工作频率的提高,激励器的击穿电压降低,放电电能减小,射流速度减小。通过对触发信号的调制,可以实现每个激励器的独立控制,使得并联式激励器具有更强的流动控制灵活性。试验结果显示,激励器工作相位与触发相位具有较好的对应关系。     

射流角度和壁面曲率对撞壁液膜的影响

射流角度和壁面曲率是空间液体火箭发动机液膜冷却设计的重要参数,通过实验研究了入射角和壁面曲率半径对射流撞壁液膜形态和液膜厚度的影响;实验中液膜厚度的测量采用探针法法测量。对射流撞壁的溅射现象进行的分析表明,射流由壁面附着状态转变为液滴飞溅状态的临界We数为214.1,射流撞壁后由附壁状态转变为溅射状态的临界入射角度为23.1°,根据液体火箭发动机冷却的需要可以选择合适的射流角度。     

不同射流状态下射流气体与高超声速主流相互作用影响

为研究不同射流状态对高超声速飞行器气动加热的影响,对高超声速来流条件下方孔和圆孔横向射流模型进行数值模拟,讨论射流压强、射流速度及射流方向对主流流场的影响,得到了不同射流状态下流场结构、壁面温度热流分布及壁面中心线温度热流变化。结果表明:射流在一定程度上能缓解壁面气动加热情况,壁面引射效果更好,壁面引射速度1 m·s~(-1)时壁面热流降低接近三分之二。在高速(Ma1)射流情况下,适当增大压强和速度,均会使得射流下游的冷却效果加强;在中低速(Ma0.6)射流情况下,射流基本上不改变主流流场而在边界层内流动,流速越大,冷却范围越大,冷却效果也相对较好。射流方向与主流方向夹角为锐角时,利于射流孔下游降温;夹角为钝角时,利于射流孔上游降温。     

水击压力造成管线振动的实验研究

对地面裸管铺设、用普通连接器连接的DN100机动管线进行实验研究,探讨机动管线在不同水击压力作用下,管线系统的振动情况.实验表明,水击值的大小与关阀的速度和关闭的程度有关,压力较高且阀门关闭较快时,管线中水击效应明显,管线轴向振动中受迫振动占主导地位,自由振动部分占次要地位.压力上升值不同,悬空段振动情况亦不相同,而位移、速度、加速度的变化趋势相同.液体压力变化导致管线发生轴向运动,连接处的折转角发生变化,管线作轴向自由振动,同时作与液体纵波频率相等的强迫振动.连接耦合的影响与刚性连接管线相比更为突出.     

通气空泡与超音速尾喷流耦合作用实验研究

基于开放式水洞,构建了通气空泡与超音速尾喷流耦合作用实验系统。设计了四种可变长度实验模型,重点研究射流与通气空泡相对位置对空泡射流耦合作用机理的影响。针对不同外形实验模型,改变通气流量和射流流量,获得了不同工况下空泡界面瞬态演化规律。通过实验,观察到射流完全补气、射流部分泄气、射流完全泄气三种不同耦合作用模式。进一步结合实验数据和Paryshev理论分析,建立了不同模式下临界转变条件和空泡尺度计算模型。当≤0.1 时,空泡长度可用经典空泡经验公式来描述;当0.1<<1.5 时,空泡长度分为模型长度和尾部空泡长度两部分,而尾部空泡长度只与无量纲动量比有关;当 ≥1.5时,空泡闭合在喷管出口,空泡长度与模型长度相等。     

基于CFD的磁射流抛光去除机理分析

应用计算流体动力学(CFD)方法分析了一种新型精密抛光技术——磁射流抛光的材料去除机理。磁射流抛光中,含有磨料的磁流变液射流被喷嘴出口附近的局部外加纵向磁场磁化,产生准直的硬化射流束来进行相对远距离的精密抛光。介绍了磁射流抛光的原理和实验装置,分析了磁流变液聚束射流的形成,通过一系列定点抛光实验研究了磁射流抛光工艺的材料去除分布特征,利用计算流体动力学的方法分析了垂直冲击和倾斜冲击情况下,磁流变液射流与工件表面相互作用时径向流场功率密度的分布特征。实验结果和仿真计算结果表明:磁流变液射流在工件表面径向扩展流动产生的径向剪切作用导致了材料去除;CFD方法能模拟抛光区去除率的三维分布,因此可以准确地预测抛光区形状。     

聚能射流形成过程的理论建模与分析

分析了聚能射流的形成过程,并对其中的各阶段进行了详细建模。在模型中考虑了炸药爆轰、金属的驱动、药型罩压垮以及射流和杵体的形成过程。采用该模型对某一聚能装药结构进行了计算,计算结果表明:药型罩顶部和底部微元的压垮速度较小,在射流头部形成反向速度梯度,与试验数据吻合较好。该模型对于多级侵彻战斗部的工程设计与侵彻参数的计算具有一定的参考价值。     

Investigation on the influence of the initial RDX crystal size on the performance of shaped charge warheads

Copper lined wave shaped shaped charges of particular design and liner metallurgy were used to investigate the effect of explosive crystal size on the resultant shaped charge jet parameters. Composition A3 with RDX of three different average crystal sizes, i.e. 30 μm, 100 μm and 300 μm were used in the investigation. All other parameters in the charge were kept constant and in particular, care was given to obtain consistent dimensional quality and liner microstructure, in order to prohibit the variation of other parameters. Specific flash-X-ray diagnostics were used in field tests to obtain the jet parameters from multiple firings of similar charges. It is found that the varying crystal size of the RDX has a marginal influence in the total jet length of the jets. However, it is also found that there is less variation between firings in the jet parameters for jets from the charges loaded with the crystal size of 100 μm.     

Experimental and numerical investigation of zirconium jet performance with different liner shapes design

This paper studies the shaped charge jet performance in terms of different liner shapes including conical,bell,hemispherical and bi-conical liners.The critical angles and the relevant flow velocities for the zir-conium liner material were calculated analytically and numerically using Autodyn hydro-code.The relationship between the critical collapse angle and the flow velocity was determined for the conditions of jet formation and coherency.Penetration tests according to the standard testing procedures of API-RP34 (Section-Ⅱ) were performed to validate the numerical predictions of the jet performance of the studied liners.It was found that the four shaped charge liners all produced coherent jets with different performances.The penetration depth of the shaped charges with the bell and the bi-conical liner shapes increased by 10.3％ and 22％,respectively,while the crater diameter of shaped charge with hemispherical liner increased by 85％ representing the formation of an explosively-formed-projectile (EFP),when they are compared with the corresponding jet characteristics of a conical liner shaped charge.     

Influence of shaped charge structure parameters on the formation of linear explosively formed projectiles

The research of LEFP (linear explosive forming projectile) is of great value to the development of new warhead due to its excellent performance. To further improve the damage ability of the shaped charge warhead, a special shell overhanging structure was designed to increase the charge based on the traditional spherical charge, in which case the crushing energy of LEFP could be guaranteed. LS-DYNA was used to simulate different charge structures obtained by changing the number of detonation points, the length of shell platform, the radius of curvature and the thickness of liner. The RSM (response surface model) between the molding parameters of LEFP and the structural parameters of charge was established. Based on RSM model, the structure of shaped charge was optimized by using multi-objective genetic algorithm. Meanwhile, the formation process of jet was analyzed by pulsed X-ray photography. The results show that the velocity, length-diameter ratio and specific kinetic energy of the LEFP were closely related to the structural parameters of the shaped charge. After the optimization of charge structure, the forming effect and penetration ability of LEPP had been significantly improved. The experimental data of jet velocity and length were consistent with the numerical results, which verifies the reliability of the numerical results.     

超音速等离子制备Al/Ni涂层的性能特点

以超音速等离子喷涂系统(HEPJet)为平台,采用铝包镍(Al/Ni)自粘结粉末,借助Spray Watch2i在线监测系统、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和WE-10A万能拉伸试验机,研究了超音速等离子喷涂Al/Ni粒子的速度、温度及涂层的组织性能。研究结果表明:超音速等离子喷涂Al/Ni自粘结粉末时,与普通火焰喷涂不同,射流中无明显的放热反应特征,涂层中也未发现Al-Ni化合物;超音速等离子的喷涂功率、喷涂距离等参数对Al/Ni喷涂粒子的状态和涂层组织性能影响显著,当功率为54.6kW、喷涂距离为150mm时,Al/Ni涂层组织致密,与基体的结合强度高达56MPa。     

频域加权LQR控制器改进设计

基于线性二次型调节器(Linear Quadratic Regulator,LQR)控制方法,设计一种频域加权LQR控制器;通过对其常用滤波器进行改进,提出一种新型滤波器设计思路。当振源频率低于执行器下限响应频率,导致执行器输出减小时,通过改变滤波器参数、增大低频部分权重及控制力,可提高低于执行器响应下限频段的控制性能。仿真结果表明,频域加权的方法可以提升LQR控制器在特定频域下的控制性能;基于新型滤波器的改进频域加权LQR控制器与未改进前相比,下限响应频率之外的控制性能得到进一步提升。