分隔式双流道涡轮非稳态特性的形成机理分析

在非稳态条件下对分隔式双流道涡轮进行了数值模拟,得到了呈现出充盈和排空效应的涡轮非稳态特性圈;并分别从宏观和微观角度对涡轮非稳态特性进行了分析。结果表明：在同一个非稳态特性圈内,排空段的平均效率较充盈段高17.17个百分点,主要原因在于排空段的流速高于充盈段;内外流道脉冲波形成的非稳态特性圈之间的区别主要在充盈段,内流道充盈段的非稳态平均效率较外流道充盈段高10个百分点;脉冲波从内流道进入时,涡轮的总体流动损失小,即总体熵增较小。     

高速涡轮增压器轴承-转子系统不平衡响应及稳定性分析

汽车涡轮增压器广泛采用浮环轴承支承的小型轻质转子系统,以实现100 000~300 000 r/min的工作转速,提高发动机功率和动力性能,并降低燃油消耗和排放. 在此超高速工况下,动压油膜的强非线性作用和转子固有的不平衡效应使该系统呈现出复杂的动力学现象,其中油膜涡动、振荡、跳跃、倍周期分岔和混沌等非线性动力学行为对增压器的健康运转意义重大,因而备受关注. 本文作者从摩擦学动力学耦合的角度出发,基于流体动压轴承润滑理论和有限差分法计算非稳态油膜压力,结合达朗贝尔原理和传递矩阵法建立了转子离散化动力学方程,提出了一种由双油膜浮环支承的涡轮增压器转子系统动力学模型,并从转子轨迹、轴承偏心率、频谱响应、庞加莱映射和分岔特性等方面比较分析,描述了该非线性轴承-转子系统的不平衡效应及油膜失稳特征. 结果表明:转子一般在相对低速下作稳定的单周期不平衡振动,在高转速下其被油膜失稳引起的次同步涡动所抑制,但不平衡量的增加可阻碍转子以拟周期运动通向混沌运动的路径;适当不平衡补偿下,由于内、外油膜间交互的非线性刚度和阻尼作用,在油膜失稳区间之间的中高速区会出现适合增压器健康运转的稳定区间.      

超高雷诺数下矩形截面气动特性研究

为研究工程常见的超高雷诺数下矩形柱流场特性和气动特性,以常见的起重机单箱梁截面(梁高h=1m,雷诺数Re=6.85×105)为例,采用雷诺平均RANS Realizable k-ε方法,对中等湍流强度来流下矩形柱绕流进行数值模拟。首先进行网格无关性验证,然后选取宽高比为0.6、0.8、1.0、1.5、2.0共5组不同截面的矩形柱结构进行流场分析与研究。通过对比不同宽高比柱体截面周围的气动特性参数,以及尾流区的尾涡、回流参数等特征量表明:阻力系数、平均背压系数、升力系数均方根、斯托罗哈数等均随着宽高比增大而降低,尾涡宽度和距离随着宽高比增大而减小,回流长度和最大回流速度随宽高比增大而增大。同时,通过与相关雷诺数(Re=104～105)的风洞实验和仿真结果进行对比,发现其在数值上和参考值相差很小,说明高雷诺数对绕流参数的影响很小,可为相关工程设计提供参考。     

高速磁浮列车近场气动特性及其诱导噪声的数值仿真研究

磁浮列车具有高速性和非接触性,其噪声水平主要依赖于近场气动特性.本文中针对某型号三编组高速磁浮列车,基于Lighthill声学理论,应用大涡模拟法(LES)和FW-H声学模型,仿真分析了1:10列车缩比模型在600 km/h明线工况下的稳态气动特性及瞬态气动噪声激励源特性.结果表明：高速磁浮列车车头与车尾鼻尖位置呈现等压线密集、压力梯度大现象,且车头鼻尖处压力值明显高于车尾鼻尖;列车表面声功率级最高可达155 dB,主要噪声源产生在车头鼻尖区域、表面曲率发生较大变化位置;低频段下列车车头与车尾表面对应位置监测点的声压级分布规律相同,且车头鼻尖位置监测点声压级高于车尾鼻尖,车头与车尾向车身过渡位置两监测点声压级在低频段有明显波动.文中所得研究成果,可为高速磁浮列车车内噪声计算以及为后续低频噪声优化提供一定的科学依据和指导,实现乘客对乘坐舒适性要求.     

串列叶片式前向离心风机气动与噪声特性的优化研究

对采用串列叶片的某前向离心风机内部三维非定常流动进行了数值计算,重点研究了串列叶片不同叶片相对长度和不同叶片相对周向位置两个参数对风机气动性能及气动噪声的影响.通过响应面方法对数值结果进行二次回归拟合,得到两个参数与风机效率和A声级间的函数关系,并进行了优化分析.数值结果表明:两个参数对串列叶片式前向离心风机效率和A声级均有较大影响,合理的串列叶片设计能够在保持气动性能基本不变的情况下降低风机的气动噪声.将可靠的CFD数值技术与响应面方法结合起来用于指导离心风机的改进及试验设计是可行的,本文的研究结果可为串列式离心风机在节能与降噪的总体设计方面提供参考.     

剪刀式尾桨涡流干扰机理和气动特性研究

采用非常规剪刀式尾桨对直升机整体性能有着重要影响,关于其复杂流动干扰机理的研究尚处在发展之中. 为了掌握剪刀式尾桨的流动干扰机理和参数影响规律,建立了适合于悬停状态下剪刀式尾桨干扰涡流场分析的计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD) 数值模拟方法. 采用积分形式的Reynolds-averagedNavier-Stokes (RANS) 方程作为旋翼流场求解控制方程,围绕旋翼流场的结构网格采用嵌套网格方法生成. 在CFD 方法验证基础之上,对悬停状态下两种不同构型剪刀式尾桨桨尖涡的涡核位置和强度的演变规律进行了定量分析,并对流场中桨尖涡与桨叶的贴近干扰、碰撞、破碎运动,同时准确捕捉了不同尺度涡之间的相互干扰、融合的过程进行了分析. 进一步研究了剪刀角和轴间距参数对不同构型剪刀式尾桨气动特性的影响规律. 计算结果表明,剪刀式尾桨流场中存在复杂的桨-涡干扰和涡-涡干扰现象,剪刀角和轴间距对剪刀式尾桨的气动特性有重要影响,L 构型剪刀式尾桨气动性能整体优于U 构型剪刀式尾桨.      

叶轮机械气动噪声的研究进展

从机理研究、数值预测和控制方法3方面对叶轮机械气动噪声的研究进展和现状进行综述.主要内容包括: 离散噪声和宽频噪声的机理研究,离散噪声包括叶轮旋转的自身噪声和动静干涉噪声,宽频噪声包括进气畸变噪声、叶顶间隙流动噪声、尾迹噪声、涡脱落噪声;基于声比拟理论的方法在噪声预测方面的应用;有源控制、叶片尾迹控制、非等距叶片和多孔材料等新型噪声控制技术的综述.最后对叶轮机械气动噪声的研究现状进行了总结并对今后的研究工作进行了展望.      

低雷诺数翼型蒙皮主动振动气动特性及流场结构数值研究

针对低雷诺数(Re)翼型气动性能差的特点,文章通过对翼型柔性蒙皮施加主动振动的方法,提高翼型低Re下的气动特性,改善其流场结构.采用带预处理技术的Roe方法求解非定常可压缩Navier-Stokes方程,对NACA4415翼型低Re流动展开数值模拟.通过时均化和非定常方法对比柔性蒙皮固定和振动两种状态下的升阻力气动特性和层流分离流动结构.初步研究工作表明在低Re下柔性蒙皮采用合适的振幅和频率,时均化升阻力特性显著提高,分离泡结构由后缘层流分离泡转变为近似的经典长层流分离泡,分离点后移,分离区缩小.在此基础上,文章更加细致研究了柔性蒙皮两种状态下单周期内的层流分离结构及壁面压力系数分布非定常特性和演化规律.蒙皮固定状态下分离区前部流场结构和压力分布基本保持稳定,表现为近似定常分离,仅在后缘位置出现类似于卡门涡街的非定常流动现象.柔性蒙皮振动时从分离点附近开始便产生分离涡,并不断向下游移动、脱落,表现为非定常分离并出现大范围的压力脉动.蒙皮振动使流体更加靠近壁面运动,大尺度的层流分离现象得到有效抑制.      

基于近似技术的涡轮叶片气动优化设计

根据五次多项式方法进行三维涡轮叶片的参数化建模,采用N-S方程和湍流模型进行三维流场分析计算,以K-S函数法作为优化方法,利用近似技术加速循环优化速度,建立了一种基于近似技术的涡轮叶片的气动优化方法。将气动效率和总压比作为目标函数,对涡轮叶片进行多目标气动优化、形状优化。算例表明本文提出的涡轮叶片优化设计方法是有效的。     

高速磁浮列车气动噪声分布规律研究

本文基于上海线高速磁浮列车现场噪声测试,结合数值仿真分析了磁浮列车行驶时的噪声特性以及气动噪声分布规律．数值仿真采用延时分离涡结合声比拟的方法,并对比现场测试噪声数据,给出了高速列车气动噪声特性以及噪声源分布规律．研究结果表明：列车行驶时噪声时程呈现很强脉冲性,频率小于100 Hz噪声主要来源于与高架桥梁结构振动相关的二次辐射噪声,特别是次声频段内,桥梁自振会产生显著的噪声．磁浮列车表面气动噪声分布规律与噪声频率相关,低频噪声与列车的车尾涡脱相关,高频噪声由车头边界层分离以及再附着、车身边界层流动等引起,而中频噪声主要产生于列车底部、抱轨与轨道梁表面相对运动作用．因此,高速磁浮列车除了要重点考虑车头、车尾的气动外形对气动噪声的影响外,还应考虑轨道间隙处气动噪声及其分布规律．     

高空高速飞行器气动特性研究

高空高速飞行中的黏性干扰效应、真实气体效应和稀薄气体效应成为决定未来空天飞行器能否实现安全飞行、精确控制和制导的重大基础科学问题, 必须发展相应的基础理论和研究方法.该文从计算方法、流动拓扑分析以及典型飞行器应用等方面介绍了作者所在研究团队近年来部分工作进展.      

快速成型弹性风洞模型高速气动特性研究

利用光固化快速成型技术加工了内部金属骨架、外部光敏树脂外形的弹性轻质AGARD-B模型.采用气动与结构并发分析方法对其跨声速气动特性进行了初步研究,完成了风洞验证实验.研究结果表明:在马赫数0.6和1.2、较小攻角(α≤4°)的条件下,弹性轻质模型气动力特性与金属模型基本吻合;较大攻角(α>4°)条件下,因弹性轻质模型刚度比全金属模型小,试验过程中受气动载荷作用,特别是升力的影响,结构机翼变形较大,导致气动力特性与全金属模型差异较大,故气动力系数需要进行弹性变形修正.初步实验结果指出:在跨声速范围内,弹性轻质模型可直接用于气动布局选型设计与研究、基本状态等研究;但同时弹性轻质模型刚度不足,易变形.     

离心叶轮气动声场的数值计算与分析

采用SIMPLEC算法对Ghost叶轮的三维非定常流场进行了数值模拟。利用计算所得流场结果并结合Lighthill和Lowson声学方程计算了由叶片表面非定常脉动力产生的气动噪声。计算结果表明:气动噪声的峰值主要集中在基频及其谐波附近;与静止的点声源相比,运动的点声源不仅使声场存在明显的多普勒效应,还会使声场的强度产生较大的变化;但对转速恒定的旋转点声源,加速度的变化对声场的影响可以忽略;从声场的分布来看,整个旋转叶轮可以看成是一个按简谐变化的偶极子源,数值计算结果与理论分析的结果吻合良好。     

高速列车头型长细比对气动噪声的影响

高速列车的头尾车外形对气动噪声具有重要的影响.工程实践中随着车速的增加,车辆头部越来越细长,日本高速磁悬浮列车实践中甚至出现了具有极端长细比的头部形状.本文以讨论头型长细比对列车气动噪声的影响规律为出发点,应用非线性声学求解器(NLAS)和FW-H声学比拟法的混合算法,在3种运行速度下对基于CRH380A高速列车头型概化的4种不同头型长细比的模型车的气动噪声进行了数值模拟.给出了不同头型长细比列车的流场特征、气动阻力和气动噪声.结果表明,列车的气动总阻力随头型长细比的增大而减小,且头型长细比对列车总气动阻力的影响随运行速度的增加而增强.而头型长细比对气动噪声的影响呈现出较为复杂的影响,并不存在单调的影响关系;综合考虑气动阻力和气动噪声,长细比最大的头型综合性能较优,但差异并不显著,因此在不考虑微气压波等因素的条件下,简单增加车头长细比并不一定能带来明显的气动噪声性能提升.     

民机机头气动特性的实验研究

在1.2m量级亚跨超声速风洞采用DPIV、测压、油流显示三种实验技术对某型飞机机头模型气动特性进行了实验研究,得到了两个机头模型在巡航马赫数和快速巡航马赫数条件下的气动特性,实验结果表明：在巡航马赫数条件下（Ma=0.785）,机头顶端气流速度和压力分布平滑,不存在流动分离和超音速区域;在快速巡航马赫数条件下（Ma=0.820）,机头顶端存在局部很小区域的超音速区,强度很小,不存在流动分离;相同马赫数条件下,对于确定模型,随着攻角增大（由3o增加到6o）,气流在模型上进入高流速区或超音速区的位置有所提前,位置相差约为半个到一个测压面间距;相同马赫数和相同攻角条件下,气流在两个机头模型上进入高流速区或超音速区的位置存在差异,位置相差约半个测压面间距。三种实验方法结果相互吻合,实验数据符合气动规律,可作为机头气动设计的依据。     

考虑地面效应的高速列车远场气动噪声计算方法研究

为研究高速列车远场气动噪声的计算方法,根据高速列车近地面运行的实际情况,利用半自由空间的Green函数求解FW-H方程;建立考虑地面效应时的远场声学积分公式,并研究地面效应对高速列车远场气动噪声的影响.研究表明,由于存在地面效应,原来的自由声场变成了相当于真实列车声场与镜像列车声场的叠加,并且作用在镜像列车上的力源和法向运动速度与真实列车上的相同.当列车运动速度为350 km/h时,不考虑地面效应时,远场测点的等效连续A计权声压级的最大值为90.76 dB;考虑地面效应之后,远场测点的等效连续A计权声压级的最大值为94.72 dB.     

飞行器变后掠过程非定常气动特性形成机理

可变体飞行器变后掠过程中的时变气动力与力矩特性对于飞行安全具有重要意义,是亟待深入研究的基础问题.通过风洞实验对其开展了研究,揭示了可变体飞行器变后掠引起的气动特性动态迟滞现象及滞回环大小与方向的影响因素.基于风洞实验结果和力学中一些重要概念,提出了3种物理效应:流场迟滞效应、附加运动效应、固壁牵连效应,以此定性与定量论证了可变体飞行器变后掠过程中非定常气动特性的形成机理.除了能解释实验现象,这一机理研究亦可用于后续可变体飞行器变后掠过程中的气动特性建模.     

考虑气动热对粘性系数μt影响的压气机流场计算

根据气动热影响叶片壁面附面层粘性系数tμ的理论,把考虑气动热对粘性系数tμ影响的粘性体积力计算方法运用于压气机叶栅三维粘性流场计算。计算时使用有限体积显式时间推进法解算Navier-Stokes方程,用Baldwin-Lomax模型模拟湍流流动。所得结果比不考虑气动热影响的三维计算结果更接近实验结果,能更真实地反映压气机叶栅流场的流动。     

高速电梯气动特性研究与风口设计

高速电梯运行时,井道内气压的快速变化会对轿厢运行的稳定性及安全性产生极大影响．为解决上述问题,提出了三种在井道壁面上开风口的设计方案,运用计算流体力学分析软件FLUENT对电梯运行过程中的空气流动状态进行数值仿真,同时改变风口形状以及数量,对井道内风速变化、轿厢所受气动阻力及气动力矩进行分析．分析结果表明,在提出的三种开风口方案中,上下圆形风口为最优,与未开风口时相比,轿厢气动阻力减小22.05 %,侧翻力矩减小29.87 %,俯仰力矩减小18.02 %．最后进行试验验证,表明了开风口方案的有效性,研究结果可为井道风口的设计提供理论依据．     

融合相似性原理的涡轮叶型流场预测方法研究

计算流体力学(CFD)方法是涡轮叶片等设计阶段性能评估的重要手段.然而,基于CFD的数值仿真方法通常比较耗时,难以满足涡轮叶型设计阶段快速迭代的需求.为实现快速性能评估并克服纯数据驱动预测模型泛化能力不足的问题,受到物理增强的机器学习思路的启发,将相似性原理与深度学习模型相结合,提出了一种泛化能力强的涡轮叶型流场预测新方法.以涡轮叶片表面等熵马赫数分布预测为例,提出采用相似性原理对叶型几何变量和气动参数进行归一化,进而在归一化参数空间构建训练样本集与深度学习预测模型,由此建立统一的流场预测模型,对几何尺寸、边界条件差异较大的叶型气动性能进行评估.在完成模型训练后,对归一化条件下不同工况/不同形状叶型的流场、真实环境下不同工况/不同尺寸叶型的流场以及GE-E³低压涡轮不同截面叶型的流场进行预测,结果表明预测结果的分布曲线与CFD评估结果吻合良好,平均相对误差在1.0%左右,由此验证了所提出的融合相似性原理的流场预测模型的精度与泛化能力.