不同推力与射流类型的火箭发动机排气噪声仿真研究

火箭发动机排气的气动噪声分析是降噪的基础。采用k-ε湍流模型和大涡模拟对发动机排气场进行仿真,再采用FW-H法对噪声场进行计算。对4种不同推力发动机的欠膨胀和过膨胀排气流场的仿真分析表明：排气场声功率级的分布与湍流强度的分布具有相似性,且有明显边界;声功率级在射流影响区域呈现锥形分布的特征,半锥角随推力增大但变化不大,在13°～16°;正激波后的声功率最大,此外噪声强度最大的位置介于马赫数为1的界面到燃气/空气界面之间;射流欠膨胀时,最大声功率在喷管出口下游,射流过膨胀时,最大声功率在喷口附近或内部;对于推力接近的发动机排气场,其噪声声压级基本相同,与射流状态无关;随着发动机推力的增大,声功率级最大值增大不多,而高声功率级的范围扩大是噪声增大的主因;发动机排气噪声的频率范围较宽,主频随着推力增大而降低的原因不是高频噪声降低,而是下游大尺度涡脉动引起的低频噪声增强。     

炮弹尾翼弦长对气动特性的影响

为研究炮弹新型尾翼结构,其弦长对气动特性的影响。基于尾翼稳定的要求,利用计算流体力学(CFD)进行数值模拟,在验证数值方法的基础上,对不同尾翼弦长的炮弹流场进行了数值模拟,并对计算结果进行对比分析。结果表明：基于计算模型的可靠性,将尾翼弦长分为前、后弦长,在固定总弦长、增加后弦长时,阻力系数与升力系数均随之减小;在固定前弦长、增加后弦长时,具有减阻增升增稳作用。研究结果为不同结构限制下的弹体设计提供参考依据。     

基于MPSP算法的炮弹分段气动参数辨识

针对炮弹的气动参数辨识问题,提出了一种创新的辨识方法。受到常用于带有终端约束制导律设计的MPSP(模型预测静态规划)算法启发,将其运用在炮弹的气动辨识领域。以弹体纵向平面的质心动力学模型作为辨识模型,以炮弹速度、位置等飞行外弹道数据作为模型状态量,创新地将升力系数与阻力系数视作制导律中的“控制量”,基于MPSP算法在辨识步长内进行“制导”,使得预测的终端状态量满足实际外弹道状态量“终端约束”,从而得到“控制指令”(即待辨识参数)。以某型155 mm制导炮弹为背景,使用Matlab编制辨识算法程序对给定弹道数据的升阻力系数进行了辨识。辨识结果显示：当初始气动参数存在30%误差时,辨识算法平均可在170 ms内收敛至真值附近,辨识误差在2%以内。     

高焓CO2气流壁面两步催化机制对非平衡气动加热影响的数值模拟

针对高超声速火星进入飞行遇到的壁面CO_2催化机制特殊且对气动加热影响复杂的问题,基于化学反应系统的三维可压缩流动求解器,建立壁面吸附、Eley-Rideal结合速率受控的壁面CO_2两步催化模型。基于70°球锥布局的高焓风洞实验,进行考虑壁面催化效应的高超声速非平衡气动加热数值模拟,开展考虑CO+O_((s))和O+CO_((s))两类CO_2两步催化路径对非平衡气动加热的影响研究。研究表明,壁面O_2和CO_2结合并存且存在相互竞争关系,催化加热量随催化效率增大而单调增加。数值计算建立了催化路径与非平衡加热水平的定量关联,研究发现CO_2两类催化路径权重与加热量存在非单调关联,特定权重下两种路径联合作用的热流高于单个催化结果。相关研究对碳氧气体主导的壁面催化机理和火星进入气动加热的精细化预测有重要的理论指导意义。     

空间站平均力矩平衡姿态的气动力矩影响

为了研究空间站平均力矩平衡姿态的影响因素,建立了空间站的姿态运动模型,分析了气动力矩对空间站平均力矩平衡姿态的影响。建立了空间站的动力学与控制模型,采用典型的比例微分控制器,分别得出了两种条件下的24组平均力矩平衡姿态(Average Torque Equilibrium Attitude,ATEA),结果表明气动力矩对ATEA的影响显著。为了保持空间站ATEA,需要提供周期性的控制力矩。气动力矩引起的空间站角动量卸载和积累效应不能被忽视。     

充气式防热罩再入轨道设计

充气式防热罩是最近几年才出现的新型航天回收技术 ,为各种轨道航天器的回收提供了简单、可靠、经济的途径 ,有望逐渐取代降落伞在回收系统中的地位。合理选择防热罩外形 ,用CFD方法计算了防热罩以亚、跨、超声速飞行时的阻力特性 ,并与工程估算方法作对比。分别采用单次和二次充气方案 ,完成了 90kg货舱安全着陆的再入轨道设计。在对两种充气减速方案的再入轨道进行比较分析之后指出 :对于回收同样重量的货舱 ,二次充气方案在保证减速效果的前提下大幅度减轻了防热系统设计的负担 ,是理想的ITS再入减速方案     

Fluent在汽车气动特性研究中的应用

当车辆在空气中运动时,会受到空气的作用力,且空气阻力随车速的增加而迅速增加,从而对车辆高速行驶时的动力学性能产生显著的影响。计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）软件Fluent具有实体造型、空气动力学计算和计算结果图形化等功能,可以应用到对汽车气动特性的研究中。基于Fluent软件对汽车行驶的外流场进行了仿真,可以直观地得到外流场压力和速度的分布图,并通过计算结果相关数据对汽车气动特性进行了分析。结果表明：基于CFD软件的汽车外流场仿真结果与实际情况较为吻合,是汽车研发及改进过程的可行手段。