跨音压气机转子叶尖流场试验与分析

本文利用高频响动态压力测试技术测量了某跨音压气机转子叶尖间隙流场,其中包括对跨音转子叶尖漏流和激波／漏流干扰的细致流场特征．测试结果表明激波在机匣壁面处受漏流干扰的影响相当大,这一干扰分别来自于前缘漏流涡的干扰和叶尖第二次漏流对通道激波的直接冲击干扰,使激波结构呈“S”形.在低背压高攻角条件下,转子存在十分明显的尾涡．     

斜激波与轴对称边界层干扰的数值模拟

使用两方程Menter-SST模型,对来流Mach数为3时的斜激波与轴对称边界层的相互干扰现象进行了数值模拟与定性、定量分析。研究了斜楔激波发生器楔角和来流单位Reynolds数变化对干扰区流动的影响,总结了参数变化引起的流动分离变化规律;此外,还计算了与三维计算中心对称面上的入射激波等效的二维情形,并将三维结果与二维情形进行对比,对比结果显示中心对称面上的壁面压力系数、分离涡尺寸、涡量分布等与相应的二维情形存在明显差异。     

底排装置非定常环状伴随射流的特性分析

为了研究环形喷口底排弹出膛口时的尾部二次燃烧特性和环状伴随射流流动特性,针对底排燃烧室在瞬态泄压条件下的强非稳态扰动过程,建立了环状喷口射流与超声速来流相互作用的二维轴对称化学非平衡流模型,数值研究环形喷口底排装置的非定常伴随射流燃烧流动演化特性。计算结果表明:环形喷口射流在泄压初期挤压形成高度欠膨胀的中心射流,随着喷口压力降低,逐渐转变为亚音速环状射流。泄压中期,燃烧反应强度由射流边缘向中心轴线方向逐渐加剧,在气体回流作用下,尾部流场温度快速升高。在泄压过程中,不同初始压力下的底部压力和轴线温度变化趋于一致。随着燃烧室内初始压力增大,底压系数峰值增加,降压时间延长。1.5 ms后,初始压力对尾部流场无明显影响。     

高超声速化学非平衡流动MHD效应的数值模拟

对偶极子磁场作用下的三维钝头体高超声速黏性绕流的化学非平衡流动进行了数值模拟.计算结果表明,在偶极子磁场强度为1.353 T时,与无磁场作用时相比,激波的脱体距离增加,增幅约为50%;壁面压力系数下降,局部下降最大达37%;壁面摩擦系数减小,局部最大可减小20%.同时,计算结果与磁场作用下的冻结流进行了比较,结果显示化学非平衡流中激波脱体距离比冻结流中小50%,滞止点温度低一半.     

圆管管翅散热器肋侧主流方向绝对涡通量研究

本文以圆管管翅式散热器为研究对象,采用数值模拟的方法对圆管管翅式散热器肋侧空气通道主流方向绝对涡通量的特性进行了探讨。给出了肋侧空气通道主流方向绝对涡通量无量纲化参数,二次流雷诺数;横向管间距、肋侧空气流动雷诺数对二次流雷诺数及努塞尔数的影响。     

矩形喷口欠膨胀超声速射流对撞的实验研究

在不同喷口间距和射流压力下开展了矩形喷口欠膨胀超声速射流对撞实验并与自由射流进行了对比. 实验表明:超声速射流对撞的辐射噪声中存在四种不同的啸音模式, 且随喷口距离和射流压力的变化在不同模式间切换. 在射流压力大于0.5 MPa且喷口间距小于50 mm时, 射流对撞面在两个喷口外形成两道正激波之间, 啸音基频维持在3 kHz左右. 随喷口间距的增大或射流压力的降低, 射流对撞面在一侧喷口外的弓形激波与另一侧喷口外的正激波之间. 对撞面也有可能出现在两个弓形激波之间, 对应的啸音基频约为9 kHz, 但容易受扰动而回到喷口一侧或是在喷口之间大幅度振荡. 当射流压力小于0.36 MPa且喷口间距大于70 mm后, 对撞面在两个喷口之间大幅度振荡, 产生基频在1 kHz左右并随射流压力的降低和喷口间距的增大而降低的啸音. 关键词： 超声速射流 啸音 射流对撞 激波     

叶栅通道内热斑迁移受动静干涉和叶顶间隙高度影响的研究

本文考虑在透平进口存在热斑时,对受动静干涉和叶顶间隙影响的热斑非定常迁移特性以及近壁面区域的热负荷变化规律进行研究。结果表明:热斑在动叶通道中的形态发生较大变化,并存在冷热流体分离现象;在通道涡、泄漏流以及密度梯度产生的次流涡等涡系的联合作用下,压力面侧的热斑流体逐渐向上下端壁延伸,而吸力面侧逐渐向中叶展聚集;随着顶部间隙高度的增大,泄漏涡与通道涡的干涉作用增强,流道中心流体受泄漏涡的挤压而向压力面侧偏移,引起压力面附近温度梯度的增大,同时由于泄漏量的增加,使叶顶附近壁面两侧的传热环境均趋于恶化。     

激波冲击V形界面重气体导致的壁面与旋涡作用及其对湍流混合的影响

基于多组分混合物质量分数模型,采用色散最小耗散可控的高分辨率有限体积方法,数值模拟了弱激波冲击V形空气/SF_6界面后,界面不稳定性生成的旋涡与固体壁面作用问题.激波冲击V形界面之后,因斜压效应诱导涡量沉积在界面附近,形成沿界面规则排列的多个涡对结构.旋涡的诱导作用使界面不断变形和卷起,同时旋涡之间不断发生相互并对,诱导更多更小尺度的旋涡产生.旋涡诱导作用的叠加效应,使界面尖端处的初始涡对向上下壁面发展.随后,涡结构开始与壁面发生复杂的相互作用.旋涡与壁面作用后沿壁面加速,使得物质界面沿壁面伸展,随后,旋涡从壁面回弹,并诱导二次旋涡产生.旋涡与壁面相互作用的过程,能够明显加剧物质混合.本文从物质混合的角度研究了该过程的机理,分析了旋涡与壁面作用对物质混合的影响.     

超临界流体水平管换热特性可视化研究

为研究超临界压力下水平管径向截面的二次流现象,分析其对流体换热能力的影响机理,优化相关换热器设计,本文采用PIV实验方法,首先分析了水与FC-72物性差别对径向截面二次流流场的影响;然后重点研究了热流密度、质量流速工况参数变化对超临界压力下FC-72的二次流流场的影响规律。实验结果表明:相同工况下低导热系数,高体积膨胀率的工质会增强截面的二次流强度;随着热流密度增加,截面二次流流速增加,二次流涡逐步向截面底部移动;质量流速的提高会削弱加热管顶部流体温度分层的影响,并促进了中心与边壁流体间的掺混,有利于流体换热能力的提高;此外,当截面顶部流体达到临界点,二次流涡与常温工况相比远离壁面并向截面中心靠拢。     

旋转冲压压缩转子激波/附面层/泄漏流干扰研究

为分析附面层和泄漏流对旋转冲压压缩转子内激波结构的影响,开展了旋转冲压压缩转子内部流场的数值研究,并从激波形成与变化的角度分析激波与附面层,激波与泄漏流的相互作用。研究表明,S_2流面激波与轮毂附面层、S_1流面激波与隔板尾缘低速分离流体团相互作用能够改变激波的结构形态、作用位置,压比升高时低速团的影响范围增大。S_1流面激波在泄漏涡的作用位置处发生偏折,与无间隙时相比,有间隙时旋转冲压压缩转子在喉部及以后流道内更易形成激波串。     

引气位置对旁路式二元激波矢量喷管性能影响

流体推力矢量技术可为超声速无尾布局提供良好的隐身性能与纵向操纵力矩,具有响应快、质量小等优势。旁路式激波矢量喷管无须从发动机引气,克服了为增加矢量角而增加发动机引气流量的问题,可降低发动机的负担。开展了引气位置对旁路式二元激波矢量喷管矢量性能影响研究,为加深对此种喷管性能理解以及将其实用化打下基础。结果表明：喉道引气喷管兼具激波矢量和喉道偏斜法的特征,入口引气喷管在过膨胀状态下性能更好,喉道引气喷管在欠膨胀状态下更有优势。射流后的分离模式显著影响喷管矢量性能,闭式分离使喷管矢量性能下降明显,喉道引气喷管矢量性能突变对应的落压比小于入口引气喷管。实际应用中,应避免分离模式由开式分离转为闭式分离,根据不同膨胀状态搭配不同的旁路式引气方式能够最大化旁路式二元激波矢量喷管性能。     

跨临界CO_2两相喷射器的背压影响分析

喷射器的性能易受到喷射器运行时产生的非平衡相变、超音速流及激波等多种复杂现象的影响,同时出口压力也影响着喷射器的性能,对于跨临界CO_2两相喷射器内的流动状态,简化模型很难描述内部的激波特征。考虑实际物理条件,比较二维和三维计算精度,运用三维CFD模拟和基于密度梯度在迭代过程不断调节细化网格的网格自适应方法,准确预测喷射器的性能,分析了喷射器的出口背压及其激波的特性。研究结果表明,喷射器的背压在高速运行过程中存在临界值,当高速运行过程的喷射器背压持续低于此值时,喷射器扩散室入口处的混合管道中流体流速将大大超过正常工作的亚音速,壅塞现象将会同时产生,喷射系数在此时将会达到最大值,而喷射器背压的持续增加和变化对于激波链的稳定性影响不再显著。随着喷射器出口压力的继续增大,激波链的长度和强度也随之不断衰减。研究结果可为喷射器的性能优化和发展提供可靠的理论依据。     

二维超-超引射器混合室流场特性

搭建了二维超-超引射器实验系统,进行了二次喉道型式引射器启动特性和负载特性实验,获得了引射器混合室内流场纹影图,结果表明:超声速引射器临界启动状态下,混合室内存在反压引起的激波系;引射器完全启动状态下,主激波系可始于混合室后段,无需被完全吞入二次喉道内;二次流对引射器启动有助推效果,可使混合室内激波系后移;一次流对二次流有压缩作用,且一次流工作压力越高,压缩作用越强;一次流、二次流之间会形成明显的混合层,当一次流、二次流静压不匹配时,一次流喷管出口内端壁处将形成较强斜激波,其在固壁与混合层之间反射、交叉,并向下游延伸,会降低一次流引射性能。     

翼型绕流的洛伦兹力控制机理

在翼型上翼面壁面附近流场中形成的流向洛伦兹力,可提升翼型的升力减小阻力,然而制约其推广应用的主要瓶颈是极为低下的控制效率,为提高洛伦兹力的控制效率,需研究其控制机理.以翼型绕流的洛伦兹力控制为例,利用双时间步Roe格式及水槽对其进行数值及实验研究.结果表明:洛伦兹力的控制效果随着来流速度的增加而下降,升力增幅和阻力减幅与来流速度大小呈反比关系,但升力增加和阻力减小的规律不变,都是升力先急剧增加随后缓慢增加,而阻力先急剧减小然后再缓慢增加,基本原因为升力和阻力先受洛伦兹力推力的影响而分别增加和减小,随后洛伦兹力作用增加翼面壁面摩擦力,导致升力减小和阻力增加,流向洛伦兹力还导致翼型壁面压力下降,增加翼型升力和压差阻力;壁面摩擦力导致的升力降幅比壁面压力变化导致的升力增幅小,壁面压力变化起主导作用;洛伦兹力推力对阻力的降幅比压差阻力的增幅大,洛伦兹力推力起主导作用,因此阻力减小.     

高负荷对转压气机尾迹涡对叶顶泄漏流的影响

采用三维非定常数值模拟方法,针对高负荷对转压气机低压转子尾迹脱落涡对高压转子叶顶泄漏流的影响开展研究。研究发现:低压转子尾迹涡以"对涡"的形式在高压转子通道中输运,顺时针与逆时针旋向尾迹涡间隔分布,对叶顶泄漏流与主流交界面法向动量产生不同影响,进而使叶顶泄漏流与主流交界面形状呈现波浪形。设计工况下,尾迹涡会使叶顶泄漏流与主流交界面的位置偏向吸力面以及后移结尾激波位置进而后移二次泄漏流产生的位置,减小压力面与吸力面结尾激波入射点之间弦长区域叶顶泄漏流与轴向的夹角,提高相应弦长区域叶顶泄漏流的轴向速度,减小高压转子叶尖区的堵塞,降低二次泄漏流产生的损失,进而提升高压转子叶尖区的等熵效率。     

微尺度涡流发生器尾迹涡的发展及其对激波边界层干涉的控制

采用数值模拟的方法研究了超音速流动中斜坡型、双排斜坡型和分裂斜坡型三种不同微尺度涡流发生器诱导的尾迹涡耗散过程和发展轨迹,并对比分析了不同结构涡流发生器布置对激波边界层干涉的控制作用效果。研究结果表明,研究的三种涡流发生器结构诱导的逆旋涡之间具有相互弱化作用。双排斜坡型涡流发生器诱导的逆旋涡之间的弱化作用最强,斜坡型涡流发生器次之,分裂斜坡型涡流发生器诱导的逆旋涡之间的弱化趋势最弱,涡量更易在下游边界层中得到保持。涡流发生器产生的逆旋涡在互相诱导的作用下逐渐向远离壁面边界层的方向移动,分裂斜坡型和双排斜坡型涡流发生器的尾迹涡远离壁面的运动轨迹均较斜坡型涡流发生器的尾迹涡更为平缓。双排斜坡型涡流发生器的尾迹涡远离壁面的趋势更显著弱于分裂斜坡型涡流发生器,有利于保持尾迹涡在边界层内部,提升边界层的抗分离能力。在两种因素综合作用下,双排斜坡型涡流发生器对激波边界层相互作用具有最优的控制效果,分裂斜坡型涡流发生器的控制效果次之。     

基于大涡模拟的柴油机喷嘴内空化效应研究

针对柴油机喷射压力日渐增加及喷孔愈趋微细化背景下的喷嘴内部空化流动问题,基于大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)及混合均相流(Homogeneous Equilibrium Mixture,HEM)模型,对高压微细喷孔内空化流动进行了多维数值模拟研究。根据喷孔内部不同区域的流动的敏感性,运用变阿格技术建立了1/4喷嘴计算模型,并采用E.Winklhofer试验结果验证了数学模型的合理性。结果得出:超高喷射压力及微细喷孔条件下,喷孔内部空化层的演变速度极快;孔内空泡的溃灭过程促进了湍流涡团量的增加,内部湍流涡团密集区域与空化区域一致;小孔径下喷孔内部空化区域更为明显,空泡在出口处溃灭产生的流体微射流增强了出口处的湍流扰动强度,与内部空化的共同作用下有利于改善燃油的雾化质量。     

基于变均布霍尔系数的磁控热防护系统霍尔效应影响

为研究霍尔效应对磁控热防护系统的影响机理,建立并验证了热化学非平衡流场、外加磁场、感应电场的多场耦合数值求解方法.基于均布霍尔系数模型分析了霍尔效应在两种不同磁场强度B_0、不同壁面导电条件下对磁控效果的影响.研究表明,不同壁面导电性下霍尔效应的影响规律不同.绝缘壁面条件下,考虑霍尔效应后壁面热流的变化是附面层内洛伦兹力的变化与激波层厚度的减小二者共同作用的结果.B_0=0.2 T时洛伦兹力增加附加的流体减速作用占主导,磁控热防护效果优于忽略霍尔效应的情况,并且在霍尔系数为5.0达到最优;而当B_0=0.5 T时,激波层变薄对附面层外缘温度的增加占主导,磁控热防护效果变差,并且随霍尔系数的增加壁面热流越来越大.导电壁面条件下,随着霍尔系数的增加,磁控激波以及热防护效果变差,且当β≥5.0时,磁控热防护系统几乎完全失效.     

激波与单/双球模型相互作用有效阻力的实验研究

利用水平激波管、高频应变传感器和高速数据采集系统等仪器设备,对激波加载单、双球模型时的有效阻力进行直接测量。实验结果表明,对于单球模型,有效阻力系数随激波马赫数的增大而减小;对于双球模型,有效阻力系数随无量纲间距的增大,先增大后减小并趋于稳定;颗粒载荷比足够大时,须考虑激波和尾迹涡相互干涉影响,采用颗粒群阻力系数模型,阻力系数开始趋于稳定值的无量纲间距可以作为阻力系数模型选择的划分标准。     

水中斜激波的传播

 利用水的简化物态方程讨论了水中斜激波波后流动马赫数、密度比、压强增量及冲击角与来流马赫数的关系,给出了一个无量纲化的激波极线方程;对附体激波转变为脱体激波及波后流动为等声速流的条件进行了讨论。