湍流强度对预混燃烧影响的大涡模拟研究

本文对甲烷和空气在突扩燃烧室内的预混燃烧进行了大涡模拟(LES)研究,主要关注于预混燃料的湍流强度对甲烷-空气预混燃烧效率的影响.LES数值模拟给出了不同入口湍流强度的条件下燃烧室内湍流预混燃烧反应流场的速度场,温度场和浓度场分布.分析的结果表明:随着预混燃料入口湍流强度的增大,燃烧反应更加剧烈,燃烧效率提高,火焰长度也随之变短,同时,一氧化碳的生成区域明显变小,整体生成量减少.研究的结果对有效地提高燃气轮机的燃烧效率和减少污染物的排放提供一定的参考依据.     

超跨声速扩压叶栅未启动堵塞工况计算

本文研究了超跨声速叶栅未启动堵塞工况的运行攻角.在下游节流和轴向密流比变化时,也能算出有用的结果,并获得相应的其他叶栅性能,如总压损失系数、压比、气流折转角等.同国外已有工作比较,本文方法可以考虑更多的变化条件.计算结果的比较说明本方法是可信的.由于方法比较简单,可用来分析叶栅性能,分析叶栅的几何参数和动力参数变化时叶栅性能的变化.     

湍流的诱导及其对瓦斯爆炸过程中火焰和爆炸波的作用

在实验的基础上,研究了管内瓦斯爆炸过程中湍流的诱导及其对瓦斯爆炸过程中火焰和爆炸波的影响作用.研究结果表明,管道面积突变对瓦斯爆炸过程中湍流的产生具有重要影响.管道面积突变(变大、变小)时,产生附加湍流,并使下游火焰气流的湍流度增加,瓦斯爆炸过程中火焰的传播速度迅速提高,并可诱导激波的产生.在80×80mm等截面直管中(瓦斯浓度为理论上最猛烈的爆炸浓度9.5%),瓦斯爆炸最大火焰传播速度为40.8m/s,管内各点均为压力波信号,当管道加装一Φ300mm圆管形成面积突扩11倍和突缩11倍两断面后,面积突扩处(L/D=22)火焰速度增大5.05倍,达到64.4m/s,面积突缩处(L/D=28)火焰速度为156.0m/s, 增大4.55倍,并在L/D=48倍处形成激波(超压1.6976atm、波速416.7m/s),在L/D=98倍处,激波强度最大.在面积突变管内加装加速环可使瓦斯爆炸过程中湍流度加剧,火焰的传播速度更高,激波生成的位置(L/D=28)、最强点位置(L/D=70)均前移,激波强度增大.研究结果对指导现场如何防治瓦斯爆炸,减轻瓦斯爆炸的威力具有一定的指导意义.     

进口导叶／叶轮／扩压器非定常相干的数值与实验研究

在不同进口导叶预旋角度下,采用非定常的方法对进口导叶/叶轮/扩压器三部件之间非定常相干进行了数值与实验研究,探讨了三部件之间动静相干的机理.结果表明,在进口导叶/叶轮/扩压器三部件相干时,最大的脉动压力出现在叶轮和扩压器之间的动静交界面上.当进口导叶预旋角度存在时,叶轮与扩压器之间无叶区内的非定常流动以叶轮叶片通过频率和1/2叶片通过频率为基频;而当扩压器进口安装角增大时,径向间隙内的流动则主要以1/2叶片通过频率为基频.在不同的配置下,湍流强度和非定常度均有朝向轮盘增加的趋势.在进口导叶正预旋60°同扩压器进口安装角为17°时的配置有增大湍流强度和非定常度的趋势.     

气膜孔径向角角度对冷却效率的影响

为了探讨在不同径向角下动量比和湍流度对圆柱形气膜孔流动和换热的影响规律,采用数值模拟方法,研究了涡轮叶片的冷却效率.结果表明:随着动量比的增大,二次流出口处高温区域逐渐偏离气膜孔出口叶片的下游区域,气膜孔出口二次流的影响范围变大;二次流径向角β越大,其自气膜孔出口流出后在叶片表面的轨迹偏斜程度就越大;在湍流度保持不变的情况下,随着动量比增加,冷却效率随着x/d值的增加在总体上呈现逐渐减小的趋势;随着湍流度的增大,冷却效率先增加后减小;在动量比I≤2时,冷却效率随着湍流的增大而减小;随着径向角的增大(0°～45°范围内),冷却效率逐渐降低.     

多孔障碍物对预混火焰传播的影响

以甲烷为代表性气体,研究了半封闭管道中设置多孔障碍物对可燃气体爆炸火焰传播的影响,基于大涡模拟对实验进行了重现,对比了实验与模拟中火焰传播过程的形状、位置及速度,分析了模拟结果中火焰穿过障碍物前后的流场和表面积变化,给出了衡量火焰褶皱程度的指标及算法。结果表明:大涡模拟结果与实验结果有较好的一致性;火焰在存在障碍物的管道内传播,经历层流快速膨胀、受阻回流、湍流快速发展和脉动减速4个阶段,各阶段火焰依次分别呈现加速、减速、二次加速、二次减速的波动变化;当可燃气体在开口与点火位置同端的管道内爆炸,火焰在接近障碍物时,受管道封闭端和障碍物约束显著,而出现脉动回流现象;火焰穿过多孔障碍物后,传播速度骤升至峰值,较未穿过障碍物前的最大速度可增加58.7%;障碍物是导致火焰面破碎以及面积褶皱率增大的直接原因,火焰褶皱率最大可达44.8%,比未穿过障碍物前的最大褶皱率增大39.27%。     

埋入式冲压空气进气口性能及影响因素研究

随着高性能航空电子设备在飞机上的大量应用,冷却空气需求量的不断增加,亟需发展高效节能的民机冲压空气系统。针对某飞机NACA型进气口,建立其物理模型并基于k-ω SST湍流模型开展其内外流场的耦合特性分析,研究了NACA埋入式进气口的进气机理。在此基础上,提出了采用反映进气口气流能量损失的关键性指标冲压效率及进气质量流量作为进气口性能的评价方法,并分析了飞行参数如马赫数、攻角和侧滑角对NACA埋入式进气口性能的影响。研究结果表明：马赫数从0.5增加到0.9时,冲压效率增加了9.26%,质量流量增加3.82 kg/s;攻角从0°增加到5°时,冲压效率增加了7.35%,质量流量增加0.38 kg/s;侧滑角从0°增加到4°,冲压效率降低6%,而质量流量呈先增大后减小的趋势。研究结果为我国大型民用飞机的自主研制提供一定的理论依据。     

不同泄压条件对方管内爆炸压力特性的影响

为研究泄压膜约束条件对甲烷/空气预混气体爆炸压力特性的影响,在方形火焰燃烧传播测试管道中布置压力传感器,开展不同泄压膜材料、泄压膜层数及泄压口位置实验。结果表明:牛皮纸和聚丙烯薄膜约束泄爆过程中,每增加一层泄压膜,管道内最大泄爆压力平均上升11.2%和12.3%。各强度泄压膜约束条件下,管道内最大泄爆压力随着泄压口位置接近点火端,均呈现Z形规律,当泄压口设置在距尾部端面0.25 m时,各曲线达到最小值,当泄压口设置在距尾部端面0.50 m时,各曲线出现最大值。     

基于数值模拟的有限翼展吹气控制研究

以大攻角下增加升力、减小阻力为目的,采用计算流体力学方法,针对在有限展长的三维机翼模型上进行的局部开口吹气控制进行了数值研究。利用结构网格及相应的非定常流计算方法对吹气流动控制进行了数值仿真,分析了吹气动量系数、吹气位置等参数(重点研究吹气口展向位置)对气动特性的影响。研究表明:应用吹气技术可获得较好的气动特性,且能延迟边界层的分离;当吹气动量系数为0.000216且吹气口位于0.2c～0.205c时,二维模型升力系数增加8.2%,阻力系数减小17.2%;当开口长度是有限三维模型翼展的1/5、吹气动量系数为0.003,并在z为2.1～2.4m处引入吹气控制时,三维模型的升力系数增加22.6%,升阻比增加9.5%;对于本文的三维有限翼展机翼模型,当吹气口位于z为2.1～2.4m时可以获得最好的控制效果。     

泄压空间内爆炸温度载荷的影响规律研究(二)——泄压口大小

基于自主开发的程序开展泄压空间内炸药爆炸温度场数值计算,初步探讨泄压口大小对泄压空间内爆炸温度载荷的影响规律。研究表明:准静态温度峰值、准静态温度平稳值与泄压口边长近似呈线性关系,且随着泄压口边长的增大而减小;随着泄压口边长的增大,爆炸后期准静态温度直线衰减速率呈非线性关系;其他条件不变时,随着泄压口边长的增加,泄压对于温度载荷的降低效果更明显。     

火炮在不同介质中发射的膛口流场特性分析

为研究水下炮密封式发射膛口流场及在不同介质中的膛口流场分布特性,建立了水下密封式发射二维轴对称膛口多相流数值模型.采用VOF(volume of fluid)模型、标准k-ε湍流模型,结合用户自定义函数及动网格技术,分别对水下密封式发射与空气中发射膛口流场演化过程进行了数值模拟与对比.计算结果表明,火炮在水下发射时的膛口流场与空气中发射时有明显差异.水下密封式发射时的最大膛压与空气中基本相同,弹丸初速较空气中发射降低了32 m/s,而膛口压力与温度有明显的升高;水下密封式发射时大约在140μs初步形成马赫盘,而空气中发射时马赫盘形成较晚,约在320 μs;与空气中发射相比,水下发射时的激波核心区面积更小,且弹丸头部不存在冠状冲击波.水下密封式发射时,马赫盘距离膛口轴向位移随时间变化呈指数增长;空气中发射时,马赫盘距离膛口轴向位移随时间变化呈线性增长.     

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.      

高轴压和围压共同作用下受频繁冲击时含铜蛇纹岩能量演化规律

探讨高轴压和围压共同作用下频繁冲击扰动试验过程中伴随主要能量的种类,并推演冲击扰动前后弹性能、塑性能等能量的计算公式;采用预加载围压、高轴压、0.5 MPa冲击气压模拟深部岩体承受的水平应力、垂直高应力及爆破开挖扰动的影响开展动力学试验,并基于试验结果分析含铜蛇纹岩的动力学特征及能量演化规律。研究结果表明:含铜蛇纹岩能承受的扰动冲击次数随轴压增大而减小,随围压增大而增大,且动态峰值应力随扰动冲击次数增加而减小;随扰动冲击次数的增加,岩样伴随的弹性能先增大后趋于减小,伴随的塑性能呈增大的趋势发展,反射能和入射能的比值与透射能和入射能比值的变化规律相反,前者呈增大趋势,后者呈减小趋势;单位体积吸(释)能随扰动冲击次数的增加呈下凸曲线趋势变化,其均值随围压增大先减小后增大,随轴压增大而减小。     

超声速钝体逆向喷流减阻的数值模拟研究

为研究逆向喷流技术对超声速钝体减阻的影响,采用标准k-ε湍流模型,通过求解二维Navier-Stokes方程对超声速球头体逆向冷喷流流场进行了数值模拟,并着重分析了喷口总压、喷口尺寸对流场模态和减阻效果的影响。计算结果显示:随着喷流总压的变化,流场可出现两种流动模态,即长射流穿透模态和短射流穿透模态;喷流能使球头体受到的阻力明显减小;存在最大减阻临界喷流总压值(在所研究参数范围内最大减阻可达51.1%);在其它喷流物理参数不变时,随着喷口尺寸的增大,同一流动模态下的减阻效果下降。本文的研究对超声速钝体减阻技术在工程上的应用具有一定的参考价值。     

二维超声速混压式进气道的数值模拟

本文采用TVD格式求解二维可压非定常Euler方程组,对二维超声速混压式进气道进行了数值计算,首先模拟了后部压力对进气道的影响过程,当进气道的后部压力与入口压力的比值逐渐增加时,进气道内的正激波逐渐往前移动,当比值达到一个临界值,进气道将不起动.其次.通过对R52.1和R54.5两种进气道模型进行计算,对它们的总压恢复进行了对比.通过计算得到了喉道处曲线弧的曲率越大,进气道的总压损失越大,进气道也越难起动.     

不同角度分叉管道内氢气-空气爆轰传播特性

在3种角度分叉管道内开展化学计量比氢气-空气爆轰实验,采用自制的火焰传感器和烟迹法分别获得了爆轰波传播速度和胞格结构,探究了不同角度管道分叉对爆轰传播的影响。结果表明:氢气-空气爆轰在经过分叉三通时受分叉口稀疏波影响导致爆轰波衰减解耦,但随着入射激波与下游管道壁面碰撞,逐渐由规则反射向马赫反射转变,最终完成重起爆过程。其中,直通支管内爆轰衰减主要受支管入口面积的影响,随着分叉角度增大,入口面积减小,爆轰衰减程度和重起爆距离也随之减小;而分叉支管内,爆轰衰减受支管入口面积与入口渐扩程度共同影响,但随着分叉角度的增大,入口面积变为主要影响因素。不同角度分叉管内的实验结果均表明,初始压力升高能显著提高爆轰稳定性,从而削弱分叉几何结构的影响。     

交错式扇贝阻尼密封动力特性研究

建立交错式扇贝阻尼密封三维数值分析模型,基于动网格及多频椭圆涡动模型研究密封动力特性沿轴向分布规律,计算分析错开角度(α=0°、11.25°、22.5°、33.75°)与密封腔深度(h=2.8、3.3、3.8和4.3 mm)对密封动力特性的影响. 结果表明:上游腔室(C1~C4)具有较大的正直接刚度和有效阻尼,对抑制转子涡动、提升系统稳定性的贡献相对较大. 相对并列式(α=0°)结构,交错式扇贝阻尼密封流体周向速度较小、湍流耗散增加,系统稳定性提升,同时密封泄漏量降低. 错开角度为33.75°时的有效阻尼约为0°时的111%~121%;错开角度为22.5°时的泄漏量相较于0°时约降低了2.11%. 有效阻尼随密封腔深度减小而增大,密封腔深度为2.8 mm时的有效阻尼约为4.3 mm时的146%~211%;密封泄漏量随密封腔深度增大而降低,密封腔深度为4.3 mm时的泄漏量相较于2.8 mm时降低了约3.73%.      

引射器位置对脉冲爆震发动机性能影响

以氢气和氧气混合物为例,通过对加装收敛扩张型引射器,采用数值计算方法对脉冲爆震发动机性能进行模拟,获得了爆震管出口相对引射器喉部处于上游、中间和下游三种引射器位置对脉冲爆震发动机性能的影响规律.计算结果表明,爆震管出口相对引射器喉部处于下游时的增推效果最好,处于中间时次之,上游时效果最差.将二次流率与增推比进行比较,发现引射器的冲量增推比随引射的二次流率增加而增大.     

壁面湍流标度律的PIV实验研究

利用高分辨率、高帧率PIV系统对湍流边界层内的自相似标度律在不同的壁面距离的具体表达形式进行了实验研究。在动量损失雷诺数（Reθ=2167）下测量平板湍流边界层内的二维瞬时速度场。应用小波分析和传统统计学方法,在垂直于平板的平面内,对不同法向位置的自相似的标度律的具体形式及其随尺度的变化情况进行考察,并与已知的She-leveque（简称SL）标度律进行比较分析。结果表明,越接近壁面,结构函数的概率密度曲线尾部越宽,表现出逐渐增强的间歇性;并且随着壁面距离的减小,ESS标度律曲线与SL标度律曲线之间的差别也就越大,而新形式标度律曲线则与SL标度律曲线的差别逐渐减小。在提取的结构尺度一样时,结构函数的标度指数随法向位置的不同变化不大,但是随着提取结构尺度的增加,两种形式的标度律适用的尺度范围也在逐渐增大。     

食管黏膜组织在轴向延伸下的摩擦特性研究

对食管黏膜组织沿轴向分别以不同的延伸率进行延伸,再通过往复摩擦试验近似模拟内镜前端进入食管的过程,研究了食管黏膜组织在不同轴向延伸率伸长下的摩擦性能变化.结果表明:从轴向无延伸到延伸率达到80%时,内镜前端与食管黏膜组织间的摩擦运行行为从食管黏膜组织只发生弹性变形的黏着状态变化到黏着和滑移的混合状态,摩擦阻力和能耗增大,摩擦系数增加.食管黏膜组织的摩擦学性能与其表面结构和力学性能密切相关.在沿轴向延伸率逐渐增加的延伸状态下,食管黏膜表面的皱褶被拉平,维持黏液润滑的特性变差;随着食管黏膜组织轴向延伸率的增加,黏膜组织的弹性模量增加,抵抗摩擦变形的能力增强,摩擦阻力增大.研究结果为临床胃镜诊疗的安全操作提供了理论依据.