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TSTO马赫7安全级间分离问题的数值研究
王粤, 汪运鹏, 薛晓鹏, 姜宗林
两级入轨(Two Stage To Orbit, TSTO)飞行器在高超声速来流条件下级间分离, 会在两级之间产生复杂的非定常气动干扰, 直接增加TSTO级间分离失败风险. 级间分离过程中的这种复杂气动干扰伴随着两级之间的激波与边界层干扰、马蹄涡、激波与尾流干扰的综合作用. 本研究将TSTO助推级和轨道级的复杂模型简化为两个三维楔, 采用重叠动网格技术, 耦合求解流动控制方程及六自由度刚体动力学方程组对级间分离过程开展模拟分析, 探究级间分离流动特性及其物理机制. 在数值分析过程中, 针对不同抬升角度下的TSTO三维流场进行了CFD(computational fluid dynamics)静态和动态数值模拟, 给出了不同抬升角度下的干扰流场流动规律和特性, 结合流场结构和壁面压力分布以及分离流动模式阐明了两级之间这种气动干扰对TSTO气动分离的影响机制, 并探讨了轨道级抬升角对TSTO安全分离的影响. 结果表明两级间的气动干扰强度随着轨道级抬升角的增大而增强, 并且在动态分离过程中随着两级间隙的增加而减弱; 在轨道级释放前两级间气动干扰和三维分离拓扑结构随着抬升角的增大变得更加复杂, 流动分离区域增大, 临界点数量增加; 在级间分离过程中, 两级气动特性变化幅度随着轨道级抬升角增大而增大, 分离时间则随之减小. 另外, 当轨道级抬升角度在6 ~ 8°时可实现该TSTO更加安全可靠的分离.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-423
基于径向基点插值法的旋转Mindlin板高次刚柔耦合动力学模型
杜超凡, 郑燕龙, 章定国, 周晓婷
将无网格径向基点插值法(Radial point interpolation method, RPIM)用于中心刚体-旋转柔性板的动力学分析。基于浮动坐标系方法和一阶剪切变形理论即Mindlin板理论,考虑剪切变形的影响,并计入板面内变形的非线性耦合变形项,采用径向基点插值法描述板的变形场,保留动能中有关非线性耦合变形项的所有高阶量,通过构造高阶形函数避免了径向基点插值法出现剪切闭锁的现象,建立了既能处理薄板问题又能处理中厚板问题的作大范围运动矩形板的高次刚-柔耦合动力学模型。高阶形函数可通过添加高阶多项式的方式获得,静力学算例表明径向基点插值法中添加15项多项式可基本消除剪切闭锁。将零次近似模型、一次近似模型和高次模型的仿真结果对比,说明零次近似模型的缺陷,同时说明高次模型有更广的适用范围,可分析大变形问题。将径向基点插值法的仿真结果与有限元法和假设模态法进行比较分析,说明本文方法的正确性,也表明无网格径向基点插值法作为一种柔性体离散方法在刚柔耦合多体系统动力学的研究中具有可推广性。
飞行Ma12条件超燃发动机流场及燃烧特征分析
何粲, 邢建文, 欧阳浩, 邓维鑫,
为提升针对高马赫数发动机的模拟能力,对计算方法进行了可压缩性修正,并针对飞行Ma12条件下超燃冲压发动机进行了多状态三维数值模拟,分析了发动机内波系、参数以及燃烧性能特征。研究结果表
考虑时变刚度特性的复合材料微结构拓扑优化设计方法
徐世鹏, 丁晓红, 段朋云, 张横
理想的骨折内固定植入物在组织愈合或修复的过程中,其结构性能需要满足不同愈合阶段对生物力学的需求。提出一种对生物可降解复合材料微结构的时变刚度特性进行调控设计的拓扑优化方法,以达到理想的骨折内固定植入物特殊的时变刚度特性需求。使用具有不同降解速率和刚度的两种可降解材料,以相对密度作为设计变量来描述不同材料的分布,以特定降解时间步中间结构的刚度之和最大为优化目标,对复合材料微结构的构型进行拓扑优化设计,使其具有符合骨愈合规律的时变刚度特性。使用均匀腐蚀方法,利用与时间相关的材料残留率描述结构的降解过程,建立考虑时间维度材料降解的有限元模型,基于Heaviside函数和Kreisselmeier-Steinhauser函数建立降解更新的连续方程,利用均匀化方法得到不同降解时间步中间结构的力学性能,并计算优化目标对于设计变量的灵敏度。通过与仅使用单材料的结构和无时变刚度特性调控的拓扑优化结构进行对比,验证了所提出设计方法的有效性,并研究了不同参数对单胞优化构型和时变刚度特性的影响。
竖直振动无粘液滴的法拉第不稳定性分析
刘德华, 黎一锴
由于外部周期性的振动而在液滴表面产生的Faraday不稳定效应广泛存在于超声雾化、喷涂加工等应用中,对Faraday不稳定性进行分析对研究振动液滴的表面动力学有着重要意义。本文将Faraday不稳定性问题从径向振动拓展到竖直振动,研究了竖直振动无粘液滴表面波的不稳定性。竖直方向的振动使得液滴动量方程为含有空间相关项和时间周期系数的Mathieu方程。采用Floquet理论进行求解,得到了竖直振动液滴表面波线性增长率与模态数以及流动参数之间的色散关系。通过求解一个关于表面变形模态的特征值问题,得到了竖直振动无粘液滴在Faraday不稳定性下的中性稳定边界,并比较了竖直振动与径向振动的液滴中性稳定边界的差异。通过大模态数假设下的近似计算,得到了仰角θ对中性不稳定边界的影响规律。结果表明竖直振动的液滴与径向振动相比,Faraday不稳定区域更小,激发的模态范围更窄,并且不会出现亚简谐的不稳定波。另外,对于竖直振动的液滴,仰角θ越大的位置,中性不稳定区域越小,在受到外部激励时液滴表面越容易保持稳定。
基于移动可变形组件法(MMC)的运载火箭传力机架结构的轻量化设计
李佳霖, 赵剑, 孙直, 郭杏林, 郭旭
传力机架是运载火箭箭体与发动机连接的关键部件, 负责将发动机推力载荷有效的传递至箭体, 其结构的轻量化设计不仅可以保障火箭发动机的推重比、提高火箭的稳定性, 还可以为我国未来可重复使用式火箭的研究提供一定的参考. 本文在移动可变形组件(MMC)的框架下, 提出了一种解决传力机架结构轻量化设计的方法. 在该方法中, 机架结构的拓扑通过一组具有显式几何信息的组件来表示, 这使最终优化布局可以被少量的设计变量所描述. 通过分析传力机架结构设计的特点和要求, 以刚度最大化为目标, 体积分数(保证结构重量)为约束, 建立了基于MMC显式拓扑优化方法下的问题列式. 同时搭建了可对工程中传力机架结构轻量化设计的平台, 并进行相应结构的拓扑优化. 在两种载荷工况(即零位状态和摇摆状态)作用下, 最终优化结果在中间推力载荷区域与锥段相连位置之间, 形成的较大翼板结构增强了传力机架的抗弯能力. 通过与传统机架结构的对比, 证明了本文所提出方法在传力机架结构轻量化设计方面的有效性.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-309
机翼尺度效应对等离子体分离流动控制特性的影响
阳鹏宇, 张鑫, 赖庆仁, 车兵辉, 陈磊
等离子体流动控制技术是一种以等离子体气动激励为控制手段的主动流动控制技术. 为了进一步提高等离子体激励器可控机翼尺度, 以超临界机翼SC(2)-0714大迎角分离流为研究对象, 以对称布局介质阻挡放电等离子体为控制方式, 以测力、粒子图像测速仪为研究手段, 从等离子体激励器特性研究出发, 深入开展了机翼尺度效应对等离子体控制的影响研究, 提出了适用于分离流控制的能效比系数, 探索了分离流等离子体控制机理, 掌握了机翼尺度对分离流控制的影响规律. 结果表明: (1)随着机翼尺度的增大, 布置到机翼上的激励器电极长度会相应增加; 在本文的参数研究范围内, 激励器的平均消耗功率不会随电极长度的增加而线性增大; 当电极长度达到一定阈值时, 激励器的平均消耗功率趋于定值; (2)在固定雷诺数的情况下, 随着机翼尺度的增大, 等离子体的控制效果并未降低, 激励器能效比系数提高; (3)等离子体在主流区诱导的大尺度展向涡与在壁面附近产生的一系列拟序结构成为分离流控制的关键. 研究结果为实现真实飞机的等离子体分离流控制, 推动等离子体流动控制技术工程化应用提供了技术支撑.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-379