进气道入口形状对冲压发动机性能影响数值研究

进气道是冲压发动机设计中非常重要的环节,其入口设计会直接影响冲压发动机的总压恢复系数σ和流量系数φ等重要性能。本文采用二阶迎风隐式TVD格式,内外流分区耦合求解可压缩N-S方程,数值模拟了掺混段出口压力与来流压力比为P/P∞=4.2超临界状态下,二元方形截面“X”型布局进气道、弹体和掺混段一体化通气模型复杂流场。计算比较了两种不同二元进气道入口形状流场和冲压发动机总压恢复系数σ、流量系数φ的结果,对其产生的原因进行了分析。     

旋转爆震燃烧室轴向和周向长度对其出口流场压力和温度的影响

为了研究旋转爆震燃烧室与涡轮的匹配特性,利用二维欧拉方程数值研究了基于当量H₂/Air燃烧的旋转爆震燃烧室出口流场特性,对比分析了不同燃烧室轴向长度和周向长度出口总压脉动、总压畸变以及出口温度分布规律。结果表明:旋转爆震燃烧室在稳定工作状态下,其出口总压的脉动值会呈现周期性振荡;燃烧室尺度对发动机出口流场的不均匀性有很大影响,随着燃烧室轴向长度的增大或周向尺寸的减小,其出口总压脉动均值、畸变指数和出口温度分布系数均会减小,其出口流场均匀性提高。此外,爆震波高度随着周向尺寸的增大而增大;轴向尺寸对爆震波高度几乎不产生影响。     

乘波体前体/进气道一体化设计研究

为了研究乘波体几何外形参数和飞行参数对前体/进气道一体化设计的影响,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,以马赫数Ma=6和攻角α=0为设计状态、进气道总压恢复系数和前体阻力系数为目标函数,对乘波体前体/进气道进行了优化设计,并在此基础上研究了攻角、马赫数、前缘半径、前体宽度对气动参数的影响。结果表明:该乘波体前体/进气道构型具有良好的攻角特性,总压恢复系数比基准构型提高17.79%,阻力系数比基准构型降低78.5%,符合高超声速飞行器高升力、低阻力的要求,且非常适合小攻角高超声速巡航飞行;为了得到较高升阻比的前体,在前缘半径R≤2mm的范围内进行流场反设计时,可以将设计马赫数的取值比预期低一些。     

脉冲爆轰发动机的系统性能分析

采用简化的脉冲爆轰推进装置模型,利用热循环效率分析方法,推导了包含进气道总压恢复系数的热循环效率公式. 并在特定来流条件下,考察了一个爆轰循环中进气道总压恢复系数和燃烧室初始温度对热循环效率和比冲的影响. 研究发现,降低来流总压损失有助于提高热循环效率,而提高燃烧室初始温度能更有效地提高热循环效率. 据此,提出了多级重起爆脉冲爆轰发动机概念,利用在突扩截面上解耦的爆轰波的前导激波去再次压缩工质,进一步提高工质的热力学参数,从而提高脉冲爆轰装置的热循环效率. 推导了此种构型PDE的热循环效率计算公式,并对多级重起爆脉冲爆轰发动机进行了原理性论证. 研究结果表明,多级重起爆方法提高了燃烧室的爆前温度,从而有效地提高脉冲爆轰发动机热循环效率. 最后,关于出口工质的非完全膨胀的情况,做了定性的阐述,认为只有降低工质的出口压力,才能更有效增加工质的出口动能,从而提高热循环效率.      

前体涡发生器对轴对称高超声速进气道激波振荡流动的影响实验

激波振荡是高超声速进气道不起动过程中常见的流动现象,会显著降低进气道气流捕获与压缩效率、产生剧烈的非定常气动力载荷而危害飞行器安全. 从激波振荡的控制出发,实验研究了前体转捩带位置的涡发生器对轴对称高超声速进气道激波振荡流动的影响. 分别在起动和激波振荡两种进气道流态下,选择无、0.5 mm与1 mm高度涡发生器工况进行对比研究. 并采用高速纹影与壁面动态测压同步记录非定常流动特征. 结果表明,1 mm高度内的涡发生器对起动状态的进气道主流流场结构、壁面压强分布影响不显著. 但对于激波振荡流动,涡发生器会明显缩小外压缩面分离区运动范围,缩短振荡周期,提升振荡周期内壁面压强的时均值. 涡发生器的影响程度随其高度的增大而增强,其中振荡周期从无涡发生器的4 ms缩短到1 mm高度涡发生器的3.13 ms. 此外,0.5 mm高度涡发生器会使得进气道内部测点的压强振荡幅值整体下降,相比无涡发生器工况的下降幅度可达23%. 流场结构与壁面压强信号的分析表明,涡流发生器主要通过其产生的流向涡影响激波振荡流动,包含流向涡对下游边界层的扰动以及流向涡与分离区的相互干扰.      

前体涡发生器对轴对称高超声速进气道激波振荡流动的影响实验

激波振荡是高超声速进气道不起动过程中常见的流动现象,会显著降低进气道气流捕获与压缩效率、产生剧烈的非定常气动力载荷而危害飞行器安全.从激波振荡的控制出发,实验研究了前体转捩带位置的涡发生器对轴对称高超声速进气道激波振荡流动的影响.分别在起动和激波振荡两种进气道流态下,选择无、0.5 mm与1 mm高度涡发生器工况进行对比研究.并采用高速纹影与壁面动态测压同步记录非定常流动特征.结果表明,1 mm高度内的涡发生器对起动状态的进气道主流流场结构、壁面压强分布影响不显著.但对于激波振荡流动,涡发生器会明显缩小外压缩面分离区运动范围,缩短振荡周期,提升振荡周期内壁面压强的时均值.涡发生器的影响程度随其高度的增大而增强,其中振荡周期从无涡发生器的4 ms缩短到1 mm高度涡发生器的3.13 ms.此外,0.5 mm高度涡发生器会使得进气道内部测点的压强振荡幅值整体下降,相比无涡发生器工况的下降幅度可达23%.流场结构与壁面压强信号的分析表明,涡流发生器主要通过其产生的流向涡影响激波振荡流动,包含流向涡对下游边界层的扰动以及流向涡与分离区的相互干扰.     

侧压式道气道流场特性研究

应用表面油流和压力测量技术,结合数值模拟方法研究了超燃冲压发动机侧压式进气道无支板和有支板两种典型工况的基本流动特性.结果表明:由侧壁诱发的后掠激波与底板边界层相互作用,形成一对逆向旋转的漩涡,该漩涡在下游不断发展并偏离底板,在出口截面形成一个低马赫数低总压区;支板的引入增加了压缩率,但同时导致底板与侧壁边界层严重分离,使进气道性能偏离设计工况.     

基于离散等收缩比的前体/进气道流向双乘波一体化设计

前体/进气道一体化设计是高超声速飞行的关键技术,一体化设计的核心是前体与进气道在基准流场上的气动融合.针对腹部进气布局中前体压缩后的非均匀流影响进气道性能的问题,文章基于局部收缩比处处一致的思想,提出了离散等收缩比设计方法,实现了乘波前体/内转式进气道流向气动融合与遵循气动规律的变截面流道设计.将进气道的三维流场分解成一簇具有相同收缩比的三维流管,视每根流管侧壁为轴对称流场;以锥导乘波前体压缩后的非均匀流作为来流条件,以总压恢复为目标对每根流管进行优化设计;通过匹配激波反射位置将流管重新组合起来,流管的对应边界组成内转式变截面进气道.该设计方法适配任何已知的非均匀来流,可灵活控制唇口位置,且适用于任意形状之间的变截面转换.数值研究表明,依托该方法设计的一体化构型性能符合预期,出口流场均匀,具有优越的抗反压能力,且非设计点流场波系结构良好.离散等收缩比设计方法为腹部进气布局中前体/进气道一体化气动融合设计提供了新思路.     

叶片转动对涡轮间隙内部流动影响的数值研究

机匣与叶片的相对转动是影响涡轮叶顶间隙流动的重要冈素之一.对LISA 1.5级轴流涡轮间隙内部流动的数值计算结果表明:叶片转动对涡轮间隙流动有阻塞作用.叶片静止时,由于阻塞作用消失,导致间隙入口速度增大,间隙流鼍增加,并且通过间隙的流体全部卷起形成间隙涡.同时在叶片顶部吸力面侧前缘、中部各形成一个间隙涡,使得间隙流动损失增加.而且转速下降会加剧动叶出口截面气流过偏/偏转不足现象.同时叶片静止时,间隙前部各个弦长截面内静压自间隙入口开始一直呈增加趋势,直到叶片尾缘附近截面,间隙截面内静压才逐渐稳定.     

延安宝塔山景区滑坡地质灾害风险评估

机匣与叶片的相对转动是影响涡轮叶顶间隙流动的重要因素之一. 对LISA 1.5级轴流涡轮间隙内部流动的数值计算结果表明：叶片转动对涡轮间隙流动有阻塞作用. 叶片静止时,由于阻塞作用消失,导致间隙入口速度增大,间隙流量增加,并且通过间隙的 流体全部卷起形成间隙涡. 同时在叶片顶部吸力面侧前缘、中部各形成一个间隙涡,使得间 隙流动损失增加. 而且转速下降会加剧动叶出口截面气流过偏/偏转不足现象. 同时叶片静止 时,间隙前部各个弦长截面内静压自间隙入口开始一直呈增加趋势,直到叶片尾缘附近截面, 间隙截面内静压才逐渐稳定.     

基于涡流发生器的翼型失速流动控制及雷诺数效应影响研究

针对所设计的三角形涡流发生器开展用于翼型失速流动控制的风洞实验研究,重点讨论涡流发生器几何参数、方向角、安装位置及实验雷诺数等因素对翼型失速流动控制的影响。实验结果表明:涡流发生器作用下,在干净翼失速迎角后能够形成一个升力几乎不随迎角变化的相对稳定的高升力状态,抑制了失速流动的发生,与此同时阻力大幅下降;本文所设计的涡流发生器方向角过大时会削弱翼型失速流动控制的效果;同一涡流发生器作用下雷诺数过大其失速流动控制效果会急剧恶化,第一种涡流发生器控制翼型失速的雷诺数有效范围略宽于第二种涡流发生器。     

受轴向冲击薄壁圆管的几何畸变相似律研究

对于受轴向冲击载荷作用的薄壁圆管动态响应的相似律问题,由于圆管的薄壁特性导致厚度无法与高度和半径按相同的比例进行结构缩放,从而产生模型的几何畸变,此时传统的相似律已无法描述原型与畸变模型之间的动态响应规律。基于薄壁圆管轴向冲击问题的控制方程,通过能量守恒和量纲分析,推导了考虑几何畸变条件下轴向冲击载荷作用的理想弹塑性薄壁圆管动态响应的相似律。通过在给定应变与应变率区间上建立比例模型预测的流动屈服应力与原型流动屈服应力的最佳逼近关系,将几何畸变相似律进一步推广至包含应变率和应变硬化的材料。通过数值方法验证了提出的几何畸变模型相似律的适用性。分析结果表明,提出的考虑厚度畸变的受轴向冲击薄壁圆管的相似律可用于预测原型结构的冲击动态响应,并显著降低比例模型与原型结构平均载荷和能量的偏差。     

级环境下叶片扩压器流场的实验与数值研究

为了研究离心压缩机级环境下的非定常干扰的基本流动现象,并验证多级叶轮机械的CFD软件的分析能力, 对一大尺度离心压缩机的叶片扩压器流场进行了实验测量和数值计算. 实验采用了固定热线、相位锁定------系综平均技术,用常温热线风速仪对叶轮后的叶片扩压器通道内不同周向、径向和轴向位置处的非定常速度进行了测量,同时提出了非定常强度的概念,以定量考核非定常的影响.实验结果表明, 叶片扩压器内的非定常流动非常复杂,其时间周期并非叶轮叶片通过时间,随着与离心叶轮之间的距离增大,非定常扰动逐渐减弱,但一直延续到叶片扩压器的出口.另外,对该实验压缩机级开展了两个不同的数值计算,并与实验数据进行了比较：定常数值计算软件采用了作者发展的确定应力模型,非定常数值计算是用商业软件NUMECA实现的,计算采用了滑移界面技术. 两个计算结果与实验在扩压器的进口截面处吻合得很好.     

旋转方形截面螺旋管内流动与传热特性

利用数值计算方法研究了旋转矩形截面螺旋管内的粘性流动，分析了在离心力，科氏力共同作用下曲线管道中的二次流动结构、轴向流速分布、截面温度分布、摩擦系数比以及管道Nusselt数比随各参数的变化情况。计算结果表明：当旋转方向和主流方向相同时，旋转的作用与增大Dean数的作用相同，使得管道摩擦系数变大，管道换热效果增强，而当旋转方向和主流方向相反时，管道内流动结构变化十分明显，当F≈-1．2时(F为科氏力与离心力之比)，二次流出现类似于直扭管内的鞍状流动结构，轴向速度类似于静止直管内的流动结构，管道内的摩擦系数与静止直管内的摩擦系数大约相等，换热效果减至最弱；挠率对流动结构以及摩擦系数比和Nusselt系数比的影响效果与F有关。     

环形出口截面的离心喷咀的简单分析

符号r_c,R,f_λ,分别表示离心喷咀出口外圆半径、燃料进入旋流室的旋流臂、进口面积、几何特性参数;G’,μ,α,r_涡,分别表示简单离心喷咀的流量、流量系数、出口喷雾角、空气涡半径、出口有效截面系数;G_s,μ_s,α_s,r_s,分别表示环形出口截面的离心喷咀的流量、流量系数、出口喷雾角、中心圆柱半径、环形出口截面系数;w,w_a,w_T,w_o分别表示出口截面任意点r处的总速度、轴向速度、切向速度以及压力能全部转化为动能时的总速度;p_o,p_s,p'_s分别表示喷咀前油压、环形出口离心喷咀出口r=r-s处的静压、简单离心喷咀出口r=r_s处的静压,均为相对于环境介质的剩余压力;φ是修正喷咀进口通道流量系数及燃料进入旋流室时流股形变的系数,r是燃油重度,g是重力加速度;下角注1,2,3分别表示关于p_s的三种不同假定的对应结果,s表示r=r_s处的值或表示环形出口截面的值,“涡”表示空气涡边界处的值;上角注,表示中心圆柱体不存在时(简单离心喷咀)的对应值.     

环形截面螺旋管道内二次流动特性的研究

从曲线柱坐标系下的N-S方程出发,以曲率和挠率为小参数,采用摄动法求解了环形截面螺旋管道内的黏性流动,给出了完全二阶摄动解,结果表明：当挠率为零时,二次流表现为上下对称的四个涡;当挠率不为零,涡的对称性遭到破坏,二次涡的强度和个数受De数和环形截面内外径之比δ的影响,轴向速度最大值在De数较小时靠近管道的内侧,随着De数的增加,其最大值向外侧移动。     

面向主给水系统的流动调整器整流性能数值研究

针对某核电站主给水系统低负荷时文丘里流量计测值虚高所提出的流场改善需求，利用计算流体力学方法结合SST k–ω湍流模型，研究安装流动调整器时的流场特征和整流性能。首先分别对流场未安装和安装栅格（AMCA）调整器及不同结构参数的孔板调整器进行三维建模和计算，获得不同调整器对流场速度、压力、流场均匀度及流量计流出系数的影响，对比不同调整器对旁路支管所致流速畸变的整流性能，并确定选用孔板调整器的构型。其次改变调整器安装位置，对比安装位置对流场速度分布、阻力损失、均匀度改善及流量计流出系数的影响。三是针对满负荷大流量工况，将调整器与不同开度的主调节阀耦合建模，计算调整器所致额外压力损失，分析阀门开度与整流器压力损失的关系。获得的调整器构型和安装位置等参数的影响规律可为核电站主给水系统解决同类问题时的流动调整器选型和安装提供参考。     

激波风洞内超燃冲压发动机三面压缩进气道流场实验观测

主要进行了超燃冲压发动机三面压缩进气道的实验观测。利用来流马赫数4.5的直通式激波风洞,考察了三组具有不同压缩角度的进气道模型内部的流场情况。实验观测手段为油流法、丝线法和高速纹影,同时,辅以数值模拟以有助于流场细节分析。纹影照片展示了进气道内部以激波边界层相互作用为主要影响因素的流场复杂结构,数值模拟也显示了相近的结果。油流技术与丝线法显示了近壁面处的流动图像,照片中可见激波、分离线、再附线等分界线位置。根据实验结果,可以推测唇口激波与进气道内边界层的相互作用及其引起的壁面分离是影响进气道内流动的主要因素。同时,尝试了利用抽吸方法减弱激波与边界层相互作用诱发的壁面流动分离,并取得一定结果。     

轴流压气机级内三维粘性流动的数值模拟

考虑轴流压气机中实际气流沿径向和周向都不均匀的特点,采用亚松弛方法改进传统的混合界面模型,发展了轴流式压气机级内全三维粘性流场的数值计算程序,并以某轴流式双排对转压气机的进口导叶/转子为研究对象,将本文发展的程序与商用 NUMECA 软件的结果进行对比,对本文发展的程序进行了验证。对比结果表明：由于混合界面法引入了“人工掺混”,商业软件计算得出的总压在通过交界面时存在一定的总压损失,而自编程序计算结果保证了总压在交界面处的一致性。流场分析结果表明：该转子叶片在设计工况下处于负攻角状态,在导叶出口轮毂处、压力面50%弦长处、吸力面靠近尾缘处均出现了轻微的流动分离现象。     

有限长环形管道中的磁流体流动

在有限长环形管道中,粘性导电的流体在轴向磁场和径向电场的作用下,不仅产生环向流动(主流),而且由于轴向边界的影响还会产生子午面内的流动,称为二次流动。在哈特曼数很大,雷诺数较小或长管近似的情况下,二次流可以忽略。等对二次流进行了计算和讨论。从量纲分析理论可清楚知道,除几何参数外,只能有两个独立的无量纲参数。因此,他们采用α,β,Υ三个独立参数进行计算,在物理上是不合理的,其中Υ应等于β/α。