超声速空腔流激振荡与声学特性研究

基于高速风洞试验研究了超声速时空腔流激振荡与声学特性.试验马赫数为1.5,基于每米的雷诺数为2.26×107,来流边界层厚度为0.024 m,试验空腔长深比分别为15,12和6.结果表明:空腔内形成的剪切层与腔后壁相撞诱发腔内较强烈噪声,噪声从腔后缘向腔前缘传播时受到腔内流动的干扰,故同频率下腔后缘处的声压均高于腔前中部区域的声压.闭式和过渡式空腔长深比较大,剪切层与腔底面相撞在腔内形成的压缩波或激波,干扰了从腔内声波反馈回路、限制了流激振荡的形成,故腔内未出现明显的声压峰值激振频率;开式空腔长深比较小,剪切层直接跨过空腔中部与腔后壁相撞,产生的噪声向腔前缘传播,腔内形成流激振荡,并出现多个声压峰值激振频率.      

适用于涡激振荡问题研究的并行高精度方法

提出了一种用于研究大振幅及物体间小间距等极端情况下涡激振荡（VIV）问题的高精度方法。该方法针对三角形/四边形非结构混合网格，采用高精度谱差分（SD）格式对Navier-Stokes方程进行空间离散。通过引入非均匀滑移网格方法，将计算域分割成多个互相不重合的子区域，从而实现了子区域网格的独立变形，子区域之间通过粘接元进行信息传递。采用全耦合方法精确求解VIV问题中流体和固体间的相互作用。通过研究并行策略以及使用消息传递接口，实现了求解器的并行计算能力。数值模拟表明：对于无黏和有黏流动问题，该方法均能保持SD方法的高精度特性；对于动网格下的定常均匀来流，求解器能够做到自由流保持；单个圆柱VIV问题仿真与现有文献结果符合较好，验证了方法的可靠性；对于流场变形情况比较复杂的涡激振荡问题，求解器可以有效实现网格变形，并具有理想的并行效率。     

腔内平板对空腔自激励振荡的影响及预估振荡频率方程的改进

运用全隐式无分裂方法,紊流模型采用修正的B-L代数模型,数值模拟了超音速流通过腔内存在平板的空腔流动.研究了腔内有不同长度平板存在的空腔流动的剪切层自持性振荡,并与无平板存在时的现象进行类比.腔内平板将剪切层与空腔隔开,减弱了剪切层振荡与空腔压强脉动的耦合作用;随着腔内平板长度的增加,剪切层振荡的程度有所减小.基于特征长度可变的思想,本文改进了Heller的频率预估方程,改进后的频率方程能更好地预估空腔的振荡频率.与Heller的方程相比,修改后的方程预估所得到的频率值更接近于闭式空腔声学模型方程的预估结果;各个方程预估空腔振荡频率值的比较进一步验证了改进后的方程的正确性及合理性.     

蒸汽轮机长叶片颤振预估方法研究

本文根据叶栅实验和流场计算结果对蒸汽轮机末级流动特征进行了分析。在小容积流量工况,末级流场可分为根部脱流区、脱流区之上的主流区叶栅槽道存在附体流区和分离区。三区大小随容积流量变化。由于末级流动复杂,发展工程上实用的算法很有吸引力。实验结果和理论分析表明,在小容积流量工况容易诱发叶片自激振动。为了能预估叶片颤振,本文发展了系列变形激盘法(机时少,适于工程应用)、数值方法 (能给出叶片表面压力分布和激波振荡,有助于了解叶片颤振发作机理)。经实验证明,可以用于叶片设计阶段颤振预估。      

旋转流场下的振荡动导数试验技术研究

为研究飞机在旋转流场下的非定常气动特性,中国空气动力研究与发展中心低速所在Φ5m 立式风洞开展了旋转流场下的振荡动导数试验技术研究。本文推导了在旋转流场下识别组合动导数的方法,介绍了试验设备,获得了在旋转的同时,由振荡产生的3个组合动导数,并对试验结果进行了分析与讨论。将单自由度动导数结果与Φ3．2m 风洞试验结果进行了对比,旋转/振荡耦合试验结果表明：旋转运动使得俯仰组合动导数变得不稳定,而对于横向组合动导数,大转速则会显著增大非线性。该试验技术能够为研究旋转流场下的非定常气动特性提供一个有效的试验平台。     

载荷分布对空气静压轴承振动特性的实验

针对空气静压轴承涡激振动问题，以圆盘型小孔节流空气静压轴承为研究对象，基于涡流激振原理和振荡流体力学理论，分析了气膜的动态特性和流体激振稳定性；采用平面流函数分析了三维气旋涡量分布特征；最后利用实验测试及理论研究相结合的方法分析了载荷分布对气浮轴承微振动特性的影响规律。研究发现：空气静压轴承的微振动本质上是气膜流场内的非定常流动引起的涡旋和壁面之间的耦合作用，即压力脉动和涡量分布决定的。轴承表面的载荷分布情况直接决定气膜高度方向的压力梯度和能量转化趋势；供气压力和气膜厚度的改变直接影响气膜内总能量输入和流动过程中能量损耗及转化形式。     

外激振动条件下气体减压器工作稳定性仿真研究

为研究运载火箭增压系统中减压器在外激振动条件下的工作稳定性,在减压器模型中通过壳体位移坐标引入振动激励源,建立了可模拟减压器在外激振动条件下工作过程的计算模型,对外激随机振动条件下增压系统动态工作过程进行了仿真.针对仿真发现的减压器下游压力振荡的不稳定现象,对减压器下游不同管路尺寸和减压器不同参数下的系统工作过程进行了对比计算.计算结果显示:增大减压器下游管路尺寸,减小减压器阀芯组件质量与减小阀芯组件与壳体间滑动摩擦力,都可以使压力振荡过程减弱,有利于改善减压器在外激振动过程下的工作稳定性.计算结果为减压器及增压系统的设计和优化提供了参考.      

叶轮机械失速颤振的全三维数值分析方法

给出了建立在全三维N-S方程求解基础上的叶轮机械失速颤振分析的数值方法。包括用定常N-S方程求解三维粘性失速流和用三维N-S振幅方程求解三维粘性失速振荡流。为了验证方法的准确性, 用压气机环形叶栅的失速流实验和振荡叶片振荡流场的实验作了对比, 同时应用本方法分析了某30万千瓦汽轮机末级叶片的失速颤振。      

正三角形排列三圆柱绕流与涡致振动数值模拟

基于有限体积法求解二维粘性不可压缩N-S方程,对低雷诺数下正三角形排列等直径三圆柱的绕流与涡致振动进行数值模拟。圆柱振动简化为两自由度的质量-弹簧-阻尼模型,圆柱的动力响应通过Newmark-β方法求解。间距比在1.5~6.0之间变化,重点研究各圆柱的气动力和响应及相关的频率特性、尾流流动模式随间距比的变化。研究结果表明:三圆柱发生振荡时的气动力要远大于绕流结果,当间距比在3.5~4.0之间气动干扰最为强烈。当间距比大于3.0时,下游圆柱的横向和流向位移相位差出现周期性切换,导致升力系数均值出现波动,并且下游圆柱的质心运动轨迹为斜向上和斜向下椭圆形的叠加。三圆柱的最大横向位移幅值均能达到0.9D,下游圆柱的最大流向振幅达到1.1D,这说明组成多圆柱振荡系统单柱的横向位移远大于孤立圆柱发生涡激共振的最大位移,并且下游圆柱的流向振荡不可忽视。     

大气湍流中的悬索桥颤振时域分析

综合考虑结构几何非线性、不同来流条件下气动力等因素对悬索桥气动稳定性的影响,利用风洞试验得到的颤振导数和对随机风场的时程模拟来计算桥梁的自激气动力和抖振力,对均匀流和大气湍流中大跨度悬索桥颤振问题进行了时域分析,结果与风洞试验结果基本一致,证明了本方法的可行性.分析表明:湍流将降低大跨度流线形主梁断面悬索桥的颤振稳定性;计算自激气动力时应当考虑随时间和空间随机变化的脉动风速的影响.     

介质温度和工作压强对发动机燃烧室中压强振荡的影响

采用大涡模拟方法研究了介质温度和工作压强对模拟燃烧室中压强振荡的影响,旨在获得相同发动机结构条件下,冷流实验和发动机热试车之间压强振荡的联系,探索采用冷流实验方法研究实际发动机流动稳定性的可能性。研究结果表明对于相同结构的发动机,冷热流之间存在很大程度的一致性,全尺寸发动机的实验数据和数值模拟结果也给予了验证,介质温度决定了压强振荡的频率,工作压强决定了振荡的振幅。     

吸气式高超声速推进助推段内流振荡及其抑制

为了掌握高超声速飞行器盲腔流场的激波振荡机理,采用"双时间步"方法对轴对称吸气式高超声速飞行器内流道盲腔流场进行了非定常数值模拟。结果表明,飞行器内流道出现了非定常激波振荡现象,内流道壁面压力出现了低频高幅的周期性变化。为了消除高超声速飞行器内流道的激波振荡现象,设计了级间段泄流方案,对飞行器进行了内外流一体化定常和非定常的数值模拟。结果表明,级间段泄流方案可以有效地消除内流道的激波振荡现象。     

高速水润滑机械密封的两相流热振动现象

处在高速、快速启动、低黏度介质润滑下的低温高速涡轮泵轴端机械密封性能与常规密封的性能发生了显著的变化，主要因素在于高速的振动影响、低黏度介质下的较差润滑性。以水为模拟介质，研究了低黏度介质下高速机械密封的运转性能，特别是气液两相流问题，实验过程中发现了两相流介质诱发的热振动问题，其机理可能在于受压缩有限空间内的流体可压缩性的变化导致。测试结果表明，在水润滑升速工况下，机械密封虽能够保持好的密封性能，但其性能变化规律较为复杂；在接触端面从接触到非接触状态的转变过程以及稳定运转过程中均存在两相流状态，密封端面温升和摩擦力存在明显的低频振荡，温度振荡可达30℃；出现汽化两相流的情况下，理论计算的结果与试验结果在升速时误差可达到50%以上。随着密封闭合力的增加，密封会出现明显的两相流现象，相变引起的温度和摩擦力的振荡可归结为一类流体密封的自激振动现象。     

高温环境下薄壁结构声激励响应及疲劳分析与试验验证

针对航空发动机薄壁结构热声疲劳问题,采用耦合的有限元/边界元法,对GH188薄壁结构进行动力学响应计算,采用改进的雨流计数法和Morrow平均应力模型,结合Miner线性累积损伤理论对薄壁结构疲劳寿命进行了预估。基于高温行波管试验器开展了GH188薄壁结构高温声激振疲劳试验研究,获取了薄壁结构在不同温度和声载荷作用下的模态频率、应力/应变响应和疲劳寿命结果。仿真计算结果与试验结果对比分析表明:数值仿真对结构破坏位置判断准确,破坏位置均为结构根部,结构1阶热模态频率具有一致性,误差0.49%~2.09%之间,X方向应力响应峰值集中在基频附近,随温度升高,结构发生软化刚度下降,响应峰值向左发生偏移,且预测水平与试验一致,误差在1%~3%之间,验证了薄壁结构热声响应计算方法与计算模型的准确性。结构疲劳寿命随温度和声压级的上升而均呈现下降趋势,疲劳破坏时间的预估值与试验结果在一个量级之内,误差在3~3.5倍之间,满足工程级寿命预测要求,验证了薄壁结构热声疲劳寿命预估方法的有效性。      

合成射流对圆柱绕流流固耦合特性影响分析

利用合成射流对钝体绕流流动特性及流致振动进行了主动控制数值研究。结果表明:随着合成射流动量系数的增加,对圆柱涡激振动的抑制效果越好。随着射流位置从后驻点移向前驻点,圆柱尾流涡脱模态呈现出柱体背流面附着对称涡的定常状态-过渡状态-反对称2S涡脱落模式的演变过程。圆柱双自由度振动轨迹为“8”字形,完全受到抑制时轨迹为“一”字型,部分抑制时其轨迹为“月牙形”,合成射流的引入可有效降低圆柱所受升力,能有效的抑制圆柱横向和流向振动,当合成射流对位于圆柱背风侧的1/4弧边缘时,圆柱的流向振荡和横流振荡均可被抑制,其抑制效果最好。      

方腔流致振荡及噪声的数值研究

采用直接数值模拟方法,研究了低Reynolds数下L/D=2的方腔亚声速流致振荡现象及其诱导的噪声。结果表明,在所计算的参数范围内,振荡都是由Rossiter II模态主导;来流边界层变薄会导致低频成分的出现,其产生的直接原因是涡与后拐角撞击方式的切换,根源在于回流区与剪切层相互作用形式的不稳定。采用本征正交分解(POD)方法,分析了不同振荡形式所对应的本征模态涡结构及其与后拐角撞击方式的关系。计算得到并分析了声波的产生和传播过程,结果与已有实验结果和理论模型符合良好。     

来流温度振荡对液滴燃烧释热特性的影响

液滴蒸发、燃烧过程均对温度变化较为敏感,为了获得液滴燃烧释热过程对于温度振荡的响应特性,对庚烷液滴气液两相燃烧问题进行了数值模拟。主要分析了来流温度振荡频率分别为2k Hz,5k Hz和10k Hz,温度振荡幅值分别为5%,10%和15%时,液滴燃烧过程中释热速率振荡幅值及相位差变化规律,同时考察了液滴直径变化产生的影响。结果表明,释热速率振荡幅值随着来流温度振荡频率和振荡幅值的增加而大幅升高;释热速率波动与来流温度振荡之间的相位差受温度振荡频率影响较大;改变液滴直径可以有效控制释热响应特性,相同工况下,减小液滴直径会使得释热振荡幅值显著降低;由于温度振荡与液滴的蒸发和释热之间的相互影响,使得在部分工况下液滴燃烧释热响应特性出现了显著的非线性特征。     

非定常空化流动及其诱导振动特性研究综述

针对非定常空化流动及其诱导振动特性,从试验和数值计算等方面进行了总结。在空化流动的实验技术方面,详细评述了由单一测量到多场同步测量的发展,指出实现结构和空化流动的多场同步精细测量是试验技术的发展方向。对近年来发展的非定常空化数值模拟方法进行了总结,认为机器学习与计算流体动力学(CFD)的结合将是非定常空化流动和空化流激振动数值模拟方法发展的方向之一。通过对空化流激振动特性的试验与数值模拟研究结果的分析和总结,认为空化发展过程的强烈不稳定行为是影响结构动态振动响应特性的主要因素,通过X射线等技术深入分析空化区域内的回射流与冲击波演化特征,并结合精细化结构振动测试技术,将是今后进一步研究空化流动机理、理解非定常空化流激振动特性的重要关注点。     

三角翼俯仰振荡中若干参数影响的实验研究

本文研究一个 6 0°三角翼以不同振荡频率 ,不同振幅从不同起始迎角进行俯仰振荡的纵向气动力特性 ,研究发现跨越具有不同时间尺度的流态的振荡会产生明显的气动力迟滞现象 ,这一迟滞现象随减缩频率的增大有一个极限值 ;在同一种流态下振荡 ,气动力迟滞现象不明显 ,这一结果对充分利用非定常气动力有指导意义。     

反压作用下隔离段性能估算方法研究

在前期隔离段研究结果基础上,对不同来流马赫数及不同反压下等直隔离段的出口温度、压力和马赫数进行了分析。通过大量拟合,得到了不同反压下隔离段出口温度、压力及马赫数间的拟合式,给出了预估任意反压下,隔离段出口马赫数和温度的方法;研究了隔离段最大承受反压与无反压下隔离段出口马赫数的关系,分别给出了均匀来流和非均匀来流时隔离段最大承受反压的拟合关系式,为最大反压比的估算提供了方法;同时还给出了均匀来流条件下等直隔离段长高比的工程选取拟合式。