连续突变管道流动局部水头损失建模研究

管道系统中设置的阀门、限流环等十分常见,装备限流装置的管道本质就是典型的连续突变管道。突变管道流动存在十分明显的局部水头损失,因此工程设计人员在进行管道系统设计时不得不考虑因管道突变而产生的局部水头损失;目前针对单个突变管道流动局部水头损失已有较为深入的研究,并已推导出相应的计算模型,但对于连续突变管路的水头损失研究较少,工程设计中对于连续突变管路的局部水头损失计算采用基于单个突变管道水头损失的叠加计算法,由于连续突变管路流动为极其复杂的湍流,基于单个突变管道水头损失的叠加计算法而得到的连续突变管路的局部水头损失结果误差较大。鉴于此,采用理论推导与实验相结合的方法,设计四种不同管径比的管道以及23种不同进口流量工况,并以航空煤油为介质进行实验,利用实验结果进行分析并对传统的突变管道水头损失的叠加计算法进行修正,提出了连续突缩突扩管道的局部水头损失修正计算模型,其计算结果相比于传统计算方法在精度上得到了显著性提高,为工程管道系统设计中的连续突变管路局部水头损失计算提供了有力依据。     

燃油分级比例对TAPS燃烧室性能的影响

综合考虑燃烧室对低污染和出口温度分布的需求,对中心分级的TAPS燃烧室流量分配进行了设计和燃烧数值模拟,该流量分配方案采用了不同燃油分级比例。计算结果表明:燃油分级比例对TAPS燃烧室宏观流场结构改变不大,改变3级旋流的流量可影响燃烧室局部当量比,同时能够减小高温区,改善出口温度分布品质,从而大幅降低NOX和CO排放。     

叶尖间隙控制系统供气部件特性及模拟方法

针对低压涡轮叶尖间隙控制系统中典型供气管路，即圆形截面90°弯曲冷却管，开展其工作特性和模拟方法研究.通过1∶1单管模型试验结合三维数值模拟方法，研究了冷却管上冲击孔的出流特性，分析了进气参数、冲击孔排布对冷却管内气体流动及流量分配的影响规律.在此基础上，提出了基于冲击孔进口有效总压概念的冷却管一维网络流动计算模型，建立了低压涡轮叶尖间隙系统中典型供气管路的一维网络流动计算方法，并应用于某型发动机组件流量特性试验设计中.研究中发现，随着远离进口位置，冷却管冲击孔出流流量和冲击孔流量系数逐步增加；随着进口雷诺数的增加，冷却管内冲击孔出流流量均有所增加，而冲击孔流量系数基本保持不变.试验数据和计算结果比对表明，所建立的一维网络流动计算模型可以准确模拟出冷却管的出流特性，计算结果同组件流量特性试验数据之间最大相对误差为4.5%，在叶尖间隙控制系统这类系统复杂流路的流动问题分析中具有良好的应用效果.      

指定流量分配系数的多回流出口边界算法

燃烧室出口处物理量的边界条件处理方法需满足工程设计对出口流量的要求，同时要保证出口回流时的数值稳定性，是工程级燃烧室模拟中重点关注的问题之一。基于流量分配系数发展了一种出口边界处理算法，支持不可压缩流动模拟中指定多个出口流量分配系数、出口存在回流时的稳定模拟。研究表明，在四面体/六面体网格算例中，该方法可实现出口流量分配系数在0～1.0范围内的稳定模拟，与设定值的最大相对偏差<0.001%。在保持出口流量分配系数不变时，改变计算域出口位置使得流动处于未充分发展、回流或旋流状态，计算结果不受明显影响。将该方法应用于TECFLAM旋流燃烧器冷态流场模拟中，计算域缩减至1/3后模拟仍能稳定收敛，预测值和实验数据保持较高的一致性。相比于使用常规出口边界的方法，该方法支持仿真人员根据需要设置出口流量分配系数和计算域大小，可显著减小数值计算开销。     

航空发动机主燃烧室燃油总管流动换热特性研究

为优化发动机燃油管路设计并预防燃油结焦,对发动机典型工况下燃油总管和分管内部流动进行了数值研究,给出了速度和压力分布情况。对由于热气流的加热作用引起的燃油温升效应进行了传热计算。对总管及分管进行了热防护设计,并比较了不同热防护措施的隔热效果。结果表明:在计算工况下,油管出口质量流量满足设计要求;内外混合隔热方式可有效降低燃油温升,减小燃油过热引起结焦的可能性。提出了改善管内流动与换热特性的措施,例如增加空气隔热层,为恶劣热负荷条件下燃油管路热防护设计提供理论基础。     

某航机燃烧室煤油改柴油燃烧特性研究

为了给某型航空发动机改为地面用柴油型燃气轮机的设计提供重要的技术支持,本文借助数值计算的方法,采用FLUENT稳态压力求解器、P1辐射模型和涡耗散破碎(EDU)燃烧模型对某航空发动机燃烧室在巡航工况和最大工况下煤油与柴油两种燃料的燃烧特性进行了计算及对比研究。得到了该燃烧室使用航空煤油(RP-3)和0号柴油的热态流场、空气流量分配、温度场、出口温度分布、污染物排放及头部燃油蒸发量。研究结果表明：当该燃烧室的燃料由航空煤油改为0号柴油后,燃烧室的热态温度场分布基本一致,流量分配最大差异在0.45%之内；燃烧效率降低约4.3%和NO、Soot排放量相当；出口温度分布和总压损失差异分别在1%和4.1%之内。     

航空发动机液压管路静压力损失分析及试验验证

液压机械装置(HMU)燃油管路的设计是否合理将直接影响到油液静压力的传递损失和各液压元件的工作特性.为了研究燃油管路内部流动损失机理,验证相关计算方法的置信度,针对典型管路静压力损失,采用锐边节流公式和短管节流公式进行了理论计算,并进行了CFD仿真分析,对计算结果进行了试验验证.计算与试验结果对比分析表明:液流的静压力损失主要出现在进口环腔与管路的交界处,管路下游液流的静压力与出口环腔内一致;锐边节流公式的计算结果相对偏大,而短管节流公式的计算结果更接近于试验值.     

航空发动机试验燃油流量测量滞后故障仿真与排除

针对某型航空发动机起动燃油流量测量滞后、振荡及重复性较差的故障,建立了高空台燃油流量测试系统和发动机燃油控制系统数学模型,并进行了数值仿真分析,得出了供油管路内可压缩性气体是测量滞后的主要原因。通过故障再现试验,定量检验了管路内气体对燃油流量测量的影响,验证了仿真分析结果的正确性。依据仿真与验证试验结果,改进设计了燃油管路和操作程序,排除了故障。     

RQL新概念燃烧室气动特性的数值研究

采用CFD数值方法研究了旋流数和流量分配变化对RQL新概念模型燃烧室内气动力学特性的影响规律。采用中等旋流强度既能保证空气与燃油的适度混合,又能满足富油区和贫油区内气-油雾两相流燃烧和气体阻力损失小的要求。淬熄段流型的合理分布可通过调整流量分配来实现快速混合淬熄。数值研究与水模试验相比具有相同的流型分布规律。     

某型航空发动机燃烧室煤油改柴油燃烧特性研究

燃料物性对燃烧室燃烧特性有着非常大的影响,是研究设计中首要考虑的参数。借助数值计算方法,采用Fluent稳态压力求解器、P1辐射模型和涡耗散模型(EDM)对某航空发动机燃烧室在巡航工况和最大工况下煤油与柴油两种燃料的燃烧特性进行计算及对比研究,得到该燃烧室使用航空煤油(RP-3)和0~#柴油的热态流场、空气流量分配、温度场、出口温度分布、污染物排放及头部燃油蒸发量。结果表明:在相同工况下,当该燃烧室的燃料由航空煤油改为0~#柴油后,其热态温度场分布基本一致,流量分配最大差异在0.45%之内,燃烧效率降低约4.3%,NO和碳烟粒子排放量相当,出口温度分布和总压损失差异分别在1.0%和4.1%之内。     

基于重要性测度降维的液压管路稳健优化设计

提出一种基于重要性测度的降维预处理优化方法,对不确定环境下飞机局部液压管路系统的稳健性优化问题展开研究。引入区间模型描述随机变量分布参数（即设计变量）的不确定性,引入基于方差的重要性测度衡量设计变量对优化目标的贡献程度,从而筛选出对优化目标影响较大的设计变量,简化优化模型。该方法可以有效降低优化问题的维数,进而减少优化的计算成本。通过数值算例验证了所提方法的合理性和可行性,并采用该方法对飞机局部液压管路系统进行了稳健性优化设计。     

一种分析稳态压力畸变对多级轴流压缩系统稳定性影响的新方法

发展了一种分析进口稳态压力畸变对多级轴流压缩系统稳定性影响的逐级平行压缩系统模型；建立了一种稳态压力畸变进气条件下，多级轴流压缩系统对燃烧室燃油瞬时脉冲的气动响应及气动稳定性分析的新方法；导出了基于ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ隐式格式的新的数值计算方法。应用新的模型方法对一个三级实验压气机进行了数值分析，给出了稳态压力畸变与压缩系统稳定裕度损失及不稳定发生时间之间的定量关系，定量给出了压气机失稳首发级的识别方法。     

变温热源回热式布雷顿循环的功率密度特性

用有限时间热力学方法分析变温热源条件下不可逆回热式布雷顿循环的功率密度特性，计人工质与高、低温测换热器的热阻损失，压气机、涡轮机的不可逆压缩和膨胀损失和管路系统中的压力损失，导出了功率密度与压比间的解析式，并通过数值计算将对应于最大功率密度时的一些参数与对应圩最大功率时的同样参数进行了比较。     

微型涡喷发动机燃烧室数值模拟

微型涡轮喷气发动机(Micro-turbine engine)燃烧室具有传热损失大及燃烧驻留时间短的特点。为了给微型燃烧室定型提供数据参考,对设计的微型环形燃烧室中的稳态燃烧过程进行数值模拟。计算入口边界参数采用等熵数值计算结果,喷雾性能参数通过试验获得,考虑了湍流化学反应、热辐射、液滴的蒸发及二次雾化等情况,得到燃烧室稳态工作时的速度场、温度场及浓度分布,计算结果可以较为准确地反映燃烧室的实际燃烧情况。计算结果表明,燃烧室设计合理,燃料可以充分燃烧,各项性能参数基本符合设计要求,能够为燃烧室的进一步优化设计提供改进依据。     

径向预旋系统温降与流阻特性的数值研究

为了探索“预旋降温效应”在航空发动机中应用的新形式,研究径向预旋结构的温降和流阻特性,对径向预旋系统结构的简化模型进行了数值模拟,通过实验验证了数值方法,分析模型内部的流动结构,获得旋转雷诺数和无量纲质量流量对径向预旋系统温降和流阻特性的影响规律.结果表明:数值计算得到的结果与实验值趋势一致,最大相对误差不超过20%.计算的参数范围内,当流经径向预旋系统的冷气质量流量一定时,气流温降和压降均随旋转雷诺数的增大而降低;当径向预旋系统工作的旋转雷诺数一定时,气流温降和压降均随无量纲质量流量的增大而增加.      

恒温热源条件下实际回热式布雷顿循环的功率密度优化

计人工质与高、低温侧换热器和回热器的热阻损失、压气机和涡轮机中不可逆压缩和膨胀损失及管路系统中的压力损失，用有限时间热力学方法，导出了恒温热源条件下实际回热式布雷顿循环功率密度与压比间的解析式，借助于数值计算，研究了高、低温侧换热器和回热器的热导率分配对最大功率密度的影响。     

基于高温热管的超燃燃烧室热防护结构

提出了基于先进热管理思想的燃烧室热防护结构.面板采用腔体式平板高温热管，实现面板等温化，降低局部高温区的温度；在热管腔体内部设计燃油冷却通道，实现对超燃燃烧室面板的燃油主动冷却.对其各项性能进行了数值分析，给出了设计参数对系统性能的影响规律，并完成了结构样件研制及石英灯试验考核.典型设计状态下，其单位面积质量为无氧铜面板的35.4%，高温合金面板的38.2%.石英灯局部加热条件下，面板最高温度为1123K时最大温差为80K.相比于传统燃油冷却方式，该型防热结构能够有效提高超燃发动机燃烧室热防护的整体性能，是超燃发动机热防护的一种重要概念.      

基于替代燃料的航空燃油泵内部空化特性

为了研究以国产大庆RP-3航空煤油为流动介质的航空燃油泵内部空化特性,采用数值模拟的方法研究了高温低压环境下航空燃油泵内部的空化流动.针对航空煤油这种成分复杂的介质,引入替代燃料的概念,选择摩尔分数为74.5%的正十二烷、10%的甲基环已烷、10%的甲苯和5.5%的辛烷构成的四组分替代燃料模拟大庆RP-3航空煤油.计算中采用基于旋转修正的k-ε湍流模型以及Zwart-Gerber-Belamri空化模型,基于实验结果对数值方法进行了验证分析.研究结果表明:基于替代燃料和旋转修正的k-ε湍流模型的数值计算方法能够较准确地预测航空燃油泵的空化特性;忽略大庆RP-3航空煤油空化热力学效应,温度对航空燃油泵空化性能有一定影响,在80℃工况下,航空燃油泵空化性能较差;转速对航空燃油泵空化性能影响较大,航空燃油泵在转速为10000r/min工况下空化比转速最大,空化性能最好.      

民航客机最佳机翼面积的优化方法

分析了民航客机燃油效率的影响因素,将气动阻力进行分解,推导出了以巡航效率为优化目标的最佳机翼优化方法。算例表明,无论是在飞机的方案设计阶段,还是在详细设计阶段,方法都是适用的。方法不仅可用于最佳机翼面积的优化工作,在详细设计阶段,还可用于检验飞机的气动优化设计是否偏离飞机的优化目标,以及检验飞机的最佳巡航航程指标是否与最佳燃油效率匹配。     

机动过程中飞机通气系统性能计算研究

 燃油箱通气性能计算是通气系统设计过程中的一个重要环节。对某型飞机的通气系统进行了分析，在网络算法和时间微分法的基础上，研究了通气系统供油油箱组和非供油油箱组内空气压力的计算模型，并给出了飞机机动过程中油箱组通气的模拟方法。针对某型飞机油箱通气系统，模拟了某一特定机动过程下，各油箱组内空气压力的变化过程，计算结果用于该机通气系统性能的验证，效果良好。