干气密封旋转流场的宏观特性与介观速度场的逻辑关系研究

旋转流场中的流体流动比较复杂,特别是在高转速、微尺度工况时,流场中的流体流态及其判断方法缺乏完备的理论模型.选择干气密封作为高速旋转流场的研究对象,以开启力和泄漏量作为宏观特性表征指标参数,选择剪切(周向)、径向及轴向速度分量对速度流场进行介观表述,通过Fluent软件仿真计算大跨距转速(低转速至超高转速)时的宏观、介观指标参数,研究密封性能指标参数与速度场间的内在逻辑关系.结果表明:低速旋转流场中的轴向速度分量较小,可忽略不计,转速升高会促使轴向速度分量持续增大,当转速持续增大并超过某一临界值时,轴向速度分量会出现迅速升高的情形;轴向速度分量的变化情形与微尺度流场(开启力和泄漏量)波动密切相关,是影响旋转流场流态的关键性指标参数,也是引起宏观流场特性变化的主要因素;径向速度分量的变化情形与微尺度流场泄漏量的变化规律基本一致,随着转速的增大,泄漏量的宏观性能反馈要早于开启力波动的出现.基于以上研究,同时根据管道雷诺数、流量因子判定模型及流体力学基本理论,尝试提出了基于三维速度分量的针对旋转流场流态的椭球判定模型.     

流场非均匀性对非平面激波诱导的Richtmyer-Meshkov不稳定性影响的数值研究

基于Navier-Stokes方程组,采用可压缩多介质黏性流动和湍流大涡模拟程序MVFT (multi-viscousflow and turbulence),模拟了均匀流场与初始密度呈现高斯函数分布的非均匀流场中马赫数为1.25的非平面激波加载初始扰动air/SF6界面的Richtmyer-Meshkov (RM)不稳定性现象。数值模拟结果表明,初始流场非均匀性将会影响非平面激波诱导的RM不稳定性演化过程。反射激波加载前,非平面激波导致的界面扰动振幅随着流场非均匀性增强而增大;反射激波加载后,非均匀流场与均匀流场条件下的界面扰动振幅差异有所减小。进一步,定量分析流场中环量分布及脉动速度统计量揭示了前述规律的原因。此外,还与平面激波诱导的RM不稳定性进行了简单对比,发现由于非平面激波波阵面区域的涡量与激波冲击界面时产生的涡量的共同作用,使得非平面激波与平面激波诱导的界面失稳过程存在差异。     

S弯进气道流动控制技术的试验研究

在低速风洞中采用微型叶片作为涡流发生器对某S弯进气道进行流动控制,通过风洞试验研究了微型叶片的不同参数(包括叶片高度、轴向位置、安装组数)对进气道气动特性的影响。试验测量了来流风速V=60m/s、模型攻角α=8°的条件下有/无微型导流叶片时进气道出口截面的总压和静压分布,并由此计算得到进气道出口截面的总压恢复系数和畸变指数。试验结果表明:微型叶片的不同参数(包括叶片高度、轴向位置、安装组数)对进气道流动有明显影响;通过在进气道第一弯道处安装合适高度和组数的微型叶片涡发生器,可以明显改善进气道出口流动;在现有的试验条件下,叶片高度h/Ri=0.02、轴向位置Xvg/Ri=1、组数Nvg=8是相对较优的流动控制方案,主要表现为:与未安装微型叶片相比,进气道流量系数φ=0.8时出口畸变指数降低了0.051,总压恢复系数提高了0.007。     

岩样单轴压缩变形破坏与能量特征研究

基于在伺服试验机上得到的同直径不同长度大理岩样的单轴压缩试验结果,研究了尺寸对岩石变形破坏与能量特征的影响规律.结果表明,岩石长度对峰值应力前的轴向变形特性没有显著影响,但明显改变峰后的轴向变形特性;岩样长度对峰后塑性变形特性影响不大;直径一定时随着长度的增大,岩样破裂形式由竖向劈裂变为剪切破坏.随着长径比的增加,岩石破坏应变能呈幂律衰减趋势,且当长径比增加至2以后,便基本趋于恒定,不再明显减小;而岩石破坏能呈先减小后增大的非线性变化趋势.     

脉劝流条件下血管壁的应力分布

为了分析血液-血管耦合运动所产生血液脉动压力载荷对血管壁应力分布的影响,利用线性化的血液-血管耦合运动方程的Womersley解,导得血液脉动压力载荷下的血管壁Green应变,同时利用Fung的血管壁应变能密度函数,导得相应血管壁应力分布的一般表达式.数值结果表明,在脉动流条件下,当考虑血液-血管耦合运动时,血管壁中周向应力最大,轴向应力居中,径向应力最小;血管壁的残余应力将明显减小血管内壁的应力集中;脉动压力载荷将导致血管壁周向应力在一个心动周期中随时间的脉动,而且随着Womersley数α和血管轴向约束参数K～＊的增大,血管壁周向应力的脉动将明显加剧,提示在分析动脉重建时必须计及血液-血管耦合运动对血管壁应力分布的影响.     

脉动流条件下血管壁的应力分布

为了分析血液-血管耦合运动所产生血液脉动压力载荷对血管壁应力分布的影响,利用线性化的血液-血管耦合运动方程的Womersley解,导得血液脉动压力载荷下的血管壁Green应变,同时利用Fung的血管壁应变能密度函数,导得相应血管壁应力分布的一般表达式.数值结果表明,在脉动流条件下,当考虑血液-血管耦合运动时,血管壁中周向应力最大,轴向应力居中,径向应力最小;血管壁的残余应力将明显减小血管内壁的应力集中;脉动压力载荷将导致血管壁周向应力在一个心动周期中随时间的脉动,而且随着Womersley数α和血管轴向约束参数K*的增大,血管壁周向应力的脉动将明显加剧,提示在分析动脉重建时必须计及血液-血管耦合运动对血管壁应力分布的影响.     

超临界CO2磨料射流流场影响因素的模拟分析

为了揭示超临界CO₂磨料射流流场特性,利用计算流体动力学模拟软件,对超临界CO₂磨料射流结构及不同因素对射流流场的影响规律进行了研究。结果表明:超临界CO₂磨料射流轴向速度和冲击力随着喷距的增大,先增大后减小,即存在最优喷距,喷射压差为10~30 MPa时最优喷距为3~6倍喷嘴直径;喷射压差一定时,围压由10 MPa增至30 MPa对射流速度场及液相冲击力会造成较小的负面影响。通过超临界CO₂射流破岩实验对上述2因素进行了辅助对比验证;流体温度由333 K增至413 K,固液两相轴向速度增大,而流体密度降低,导致液相冲击力减弱;磨料浓度由3.0%连续增至11.0%,射流固液两相轴向速度逐渐降低,降幅逐渐减小。     

自由面对潜艇尾流场流动特性影响研究

潜艇周围绕流场流动特性会影响潜艇的机动性能, 特别是近水面航行时, 自由面的存在会增大潜艇尾流场的复杂程度.为探究潜艇在近水面航行时自由液面对潜艇尾流场流动特性的影响机理,借助大型水下三维粒子图像测速技术开展潜艇尾流场流动特性研究.首先通过美国泰勒水池标准模型实验结果对试验方法准确性进行验证; 随后,用验证后的模型试验方法对潜艇尾流场进行测量,得到不同潜深工况、不同速度下的桨盘面轴向速度以及脉动速度,同时辅以数值模拟对试验无法测得的兴波波系及中纵剖面速度场加以补充,从兴波角度阐述了自由面对潜艇尾流场流动特性影响机理. 研究结果表明:潜艇在近水面航行时, 随着Fr增大,桨盘面处轴向速度云图中上方等值线整体趋于扁平化, 较4D潜深工况,1.5D潜深工况出现局部脉动速度极大值, 且脉动速度结构整体下移; 自由面存在时,艇体与自由面间流场速度明显增大, 特别在桨盘面区域, 流场速度明显提升.随着Fr增大, 桨盘面处的自由液面高度逐渐降低,这就导致了桨盘面位置出现更大的流体速度, 即造成了桨盘面伴流场挤压现象.      

不同构型和多点喷射对短环型燃烧室燃烧性能的影响

对短环形流燃烧室内有较强回流的湍流旋流流动进行了模拟,并从两个方面(燃烧室构型和多点喷射)对燃烧室性能的影响进行了分析。计算中采用Reynoldes应力湍流模型(RSM)、EBU-Arrheniue湍流燃烧模型和离散坐标辐射模型描述其燃烧流动,液相采用Lagrange法处理,气相采用SIMPLE法求解。研究表明:在燃料和空气总流量不变的情况下,燃烧室构型对燃烧室出口平均温度影响不大,对出口温度分布、燃烧室内空气流场有比较大的影响。喷嘴数目的改变对出口处的平均温度和平均速度影响不大,但是对出口截面处的温度分布影响比较大,在局部范围可能产生温度比较高的热斑。     

汇流比和入汇角对明渠交汇水流特性影响的对比研究

为探究汇流比与入汇角对明渠交汇水流水力特性影响的区别,首先通过45°明渠交汇水槽的试验研究了不同汇流比工况下交汇区的水流特性;然后采用RNG k-ε模型模拟交汇区水流的湍流流动;佐以标准壁面函数法处理近壁低雷诺数区域,对明渠交汇水流进行了数值模拟,并结合45°明渠交汇水槽试验对数值模型进行了率定。模拟结果显示,分离区的尺寸随着汇流比和入汇角的增大而增大。汇流比和入汇角对于交汇区流速分布影响的区别在于:汇流比变化对下游远处流速分布的影响较大,对入汇口附近断面的影响并不明显;而入汇角变化会对入汇口附近及其下游较远的区域造成较大影响。随着汇流比的增大,入汇口下游区域的流速不均匀程度也在增加;而随着入汇角的增大,流场的不均匀系数呈先增加后减小的趋势。     

调控燃烧室燃料初始分布建立稳定旋转爆轰波的方法

旋转爆轰发动机具有比传统航空航天发动机更高的燃烧效率,近年来引起人们的关注。其中,点火启动过程尤为重要。为达到一次点火就能在燃烧室内建立稳定旋转爆轰波的目的,本文提出通过控制点火前燃料初始分布来建立稳定旋转爆轰波的方法,并基于纳维-斯托克斯方程与10组分27可逆反应基元化学反应模型的数值模拟验证了该方法的可行性。对旋转爆轰波传播特性的研究表明,燃料在发动机燃烧室中的分布是影响旋转爆轰波建立的关键。在燃料喷注压力较低时此影响尤为明显,它决定了爆轰波发展第一周期内波前燃料层厚度。而波前燃料层与波的稳定传播密切相关。基于该方法,本文对燃烧室初始流速为360 m/s,喷注总压0.4 MPa的旋转爆轰发动机实现了点火至稳定爆轰,得到的爆轰波传播平均速度为1 604 m/s,频率为5 347.6 Hz。此外,燃料初始填充率作为燃料初始分布的量化指标,文中给出了它建立稳定旋转爆轰时的临界范围。     

当量比对汽油燃料两相旋转爆轰发动机工作特性影响实验研究

为了研究当量比对汽油燃料两相旋转爆轰发动机工作特性的影响,开展了以高总温空气为氧化剂的气液两相旋转爆轰实验研究。旋转爆轰发动机环形燃烧室外径、内径和长度分别为202、166和155 mm。汽油和高温空气采用高压雾化喷嘴与环缝对撞喷注的方式混合,以此提高推进剂的掺混效果与活性,采用预爆轰管作为点火装置。实验通过改变汽油质量流量改变推进剂当量比,并基于燃烧室内测得的高频动态压力和平均静压,对气液两相旋转爆轰波的传播模态和传播特性以及发动机的工作特性进行了详细分析。实验结果表明：在当量比为0.79～1.25时,燃烧室内均实现了旋转爆轰波的连续自持传播,且随着当量比的增加,爆轰波传播模态从双波对撞/单波的混合模态转变为单波模态;降低当量比至0.61～0.66,爆轰波传播稳定性变差,传播模态表现为间断爆轰以及零星爆轰;进一步降低当量比至0.53,爆轰波起爆失败。此外,燃烧室平均绝对压力与爆轰波平均传播频率均随着当量比的增加呈先增大后减小的趋势,极大值出现在当量比1.19附近。在此工况下获得了最佳实验结果,旋转爆轰波的平均传播频率为1 900.9 Hz,平均传播速度为1 110.8 m/s,与高频压力信号经快速傅里叶变换得到的主频基本一致,爆轰波传播速度存在严重亏损。

     

Oxyhydrogen combustion and detonation driven shock tube

The performance of combustion driver ignited by multi-spark plugs distributed along axial direction has been analysed and tested. An improved ignition method with three circumferential equidistributed ignitors at main diaphragm has been presented, by which the produced incident shock waves have higher repeatability, and better steadiness in the pressure, temperature and velocity fields of flow behind the incidence shock, and thus meets the requirements of aerodynamic experiment. The attachment of a damping section at the end of the driver can eliminate the high reflection pressure produced by detonation wave, and the backward detonation driver can be employed to generate high enthalpy and high density test flow. The incident shock wave produced by this method is well repeated and with weak attenuation. The reflection wave caused by the contracted section at the main diaphragm will weaken the unfavorable effect of rarefaction wave behind the detonation wave, which indicates that the forward detonation driver can be applied in the practice. For incident shock wave of identical strength, the initial pressure of the forward detonation driver is about 1 order of magnitude lower than that of backward detonation. The project supported by State Science and Technology Committee, National Natural Foundation of Science of China (19082012), Chinese Academy of Sciences and Project of National High Technology of China. In memory of academician Kuo Yonghuai's 90th anniversary.     

基于液体碳氢燃料的旋转爆轰燃烧特性研究

为了探索液体碳氢燃料参与旋转爆轰所产生的不完全燃烧现象,采用守恒元与求解元方法,开展柱坐标系下的汽油/空气两相旋转爆轰燃烧室三维数值模拟研究,针对燃料喷注压力和反应物当量比对旋转爆轰流场结构及燃烧室性能的影响进行分析。分析结果表明:保持总当量比为1.00,随着燃料喷注压力的上升,燃烧室内燃料不均匀分布增强,产生局部富燃区,燃料在燃烧室未能完全反应,导致燃烧室燃料比冲下降;保持喷注压力不变,减小当量比,在贫燃工况下依然存在局部富燃区,导致燃烧室内出现不完全燃烧现象,降低燃烧室比冲性能。由此可知,反应物喷注方案对气液两相旋转爆轰的不完全燃烧有显著影响。     

液态燃料对连续旋转爆轰发动机爆轰特性的影响

为了研究液态燃料对连续旋转爆轰发动机爆轰特性的影响,采用CE/SE方法对以汽油/富氧空气为燃料的CRDE进行数值模拟,分析了不同液滴半径、当量比对爆轰性能参数的影响。计算结果表明:随着液滴半径增大,爆轰压力峰值、温度峰值以及爆轰波速度均降低,且压力峰值与温度峰值在爆轰波传播过程中出现不稳定现象;当增大到70 μm时,爆轰波将无法成功起爆。随着当量比的增大,CRDE爆轰波速度及平均推力增大,爆轰压力、温度以及气相周向速度的峰值均先增大后减小。在当量比1.1附近,爆轰压力与温度的峰值出现极大值;而气相周向速度峰值的极大值出现在当量比0.9附近。基于燃料的比冲随着当量比增大而减小。     

Self-similar magnetogasdynamic flows accompanied by detonation and combustion waves

Magnetogasdynamic (MGD) flows with detonation waves and combustion fronts have attracted more and more attention in recent years. Intensive heat supply assures such a significant increase in the temperature and pressure behind the heat liberation fronts that the gaseous combustion products become conductive so that the flow map in the electric and magnetic fields can vary substantially as compared with ordinary gasdynamics. In the case of finite gas conductivity, when the magnetic Reynolds numbers R_m are low, the asymptotic laws of detonation wave propagation which either go over into the Chapman-Jouguet (CJ) mode (in a number of cases at a finite distance from the initiation source) or remain overcompressed, have been studied [1]. Stationary flow modes behind detonation waves have been investigated in [2] and the problem of the detonation wave originating at the closed end of the tube emerging in the stationary mode in crossed homogeneous magnetic and electric fields has been examined. Results are presented in this paper of an investigation of one-dimensional self-similar flows caused by piston motion in a hot gas mixture in which a detonation wave or combustion front is propagated. The motion is realized in external electric and magnetic fields which exert a substantial effect on the flow of the conductive combustion products. Domains of application of the governing parameters in which the various flow modes are realized are found by using a qualitative and numerical analysis. The results obtained are used to solve problems about the hypersonic gas flow around a thin wedge in an axial magnetic field.     

Interactive effects between aerofoils and time independent flow perturbations

A technique is developed to assess the interdependent effects of an aerofoil in the vicinity of, immersed in or passing through, a shear flow. The two former cases in which there is no time-dependency are analogous to an aircraft wing and slipstream combination, while the latter case may be likened to a compressor rotor blade responding to a circumferential distortion. In the model, however, no time-dependent terms are included.A case study is made of an aerofoil of known geometry passing through a combined pressure/temperature distortion of stated initial geometry. The changes both in the streamline patterns of the distortion and of the pressure distribution are indicated and it is seen that the resulting lift response of the aerofoil bears some resemblance to that measured on rotating blades in compressors with circumferential flow conditions.     

激波诱导火焰失稳与爆轰的条件研究

采用九阶WENO和十阶中心差分格式数值求解激波与火焰作用过程,考察了激波强度、火焰尺寸对激波与球形火焰作用过程的影响。结果表明,增大激波强度或火焰尺寸均可在流场中引发爆轰,但激波强度的影响更大,并且其引发的爆轰可使火焰迅速膨胀,放热率提高,从而影响燃烧特性;此外,爆轰波传播过程中会迅速消耗可燃预混气,合并原有的反射激波,并在流场中形成局部高压区,极大地改变流场结构。     

柱形装药近地动爆冲击波周向传播规律研究

战斗部复杂的末弹道参数会影响近地爆炸冲击波的周向传播规律及对目标的毁伤程度,研究柱形装药近地爆炸冲击波传播规律对精确评估毁伤效能具有重要的工程意义。基于AUTODYN-3D软件对不同末弹道参数的柱形装药近地爆炸进行了数值模拟,通过对2个方向分别建模,获得了柱形装药近地爆炸下前、后、侧3个方向的冲击波压力数据;研究了战斗部的落速、落角、爆心高度和装药长径比4个参数对柱形装药近地爆炸冲击波传播的影响规律,分析了冲击波的演化过程、峰值压力和马赫杆高度。研究结果表明：静爆时,爆心高度是影响冲击波马赫杆高度的主要因素,落角与装药长径是影响马赫杆高度方向差异的主要因素;动爆时,能够增大周向马赫杆高度,前方最显著;另外,随着动爆速度的提升,前向冲击波峰值线性增大。正交优化的结果显示,4种变量中,动爆速度对柱形装药前方峰值压力极差最大,落角对后方峰值压力极差最大,爆心高度对马赫杆高度影响最大。通过研究柱形装药近地动爆冲击波周向传播规律,表明合理的调整装药参数和近地爆炸姿态对实现某方向的最大毁伤或减小超压伤害具有借鉴意义。

     

Coupling Relation Between Air Shockwave and High-Temperature Flow from Explosion of Methane in Air

After a methane-in-air explosion in a coal mine tunnel, a secondary explosion of coal dust is prone to happen. The shockwave in the gas explosion produces a coal dust suspension, and the peak temperature band may detonate that suspension. This secondary detonation depends on the space-time relation between the shockwave and the peak temperature band. This paper presents a methodology to estimate the coupling relation between the air shockwave and high-temperature flow from the explosion of methane in air. The commercial software package AutoReaGas was used to carry out the numerical simulation for the explosion processes of methane in air in the tunnel. Based on the numerical simulation and its analysis, the coupling relation between the leading shock wave and high-temperature flow was demonstrated for a methane-in-air explosion in a tunnel. In the near field of the ignition point, the deflagration wave transmits energy by heat, and the temperature load is in the front of the pressure wave. With development of deflagration and deflagration-to-detonation transition, the corresponding mechanism of energy transmission is changed from heat conduction to shock compression, and a precursor pressure wave is formed gradually. The time interval between the precursor pressure wave and high-temperature flow behind the wave increases with distance. Attenuation of the precursor shock wave and high-temperature flow depends on the length of the methane-in-air space in a tunnel. Beyond the methane-in-air space, the quantitative relation of the time interval between the precursor shock wave and high-temperature flow with axial distance from ignition and the length of methane-in-air space was proposed.