航空发动机多部件3维性能联合仿真探索验证与展望

航空发动机各部件在单独进行3维仿真时，其流道气动参数和部件性能参数与总体匹配设计值之间通常存在一定的偏 差，为减小部件仿真与总体设计值之间的差异，将工程设计应用较为广泛的总体性能程序和各部件3维模型相结合，开展各部件3 维模型在整机匹配约束条件下考虑部件之间相互影响的性能联合仿真，探索了多部件联合仿真方法，建立整机3维仿真架构，通 过整机3维仿真获得了航空发动机多部件内部及部件间界面流动情况。仿真结果表明：主流道流场参数相比单部件3维仿真更加 接近设计值，与设计值之间的偏差量不超过4%，满足工程应用要求。提出了整机匹配约束下航空发动机多部件3维性能仿真技 术发展思路。     

钝体外形气动加热与结构传热一体化数值模拟

为了提高气动加热与热防护结构传热多物理场数值模拟的稳态计算效率与计算精度,发展了一种基于有限体积法的气动加热与结构传热一体化数值计算方法。该方法将高速流场与结构温度场统一到同一物理场,基于统一的控制方程组,采用基于LU-SGS隐式时间迭代和自适应时间步长的有限体积方法进行求解,避开了传统气动加热与结构传热耦合求解方法在时间域内的所需繁琐数据交替迭代策略。对二维/三维钝体进行一体化数值计算分析,计算结果表明:二维钝体非稳态下,得到2s时圆管驻点温度最高达到390.2K,驻点热流密度和结构温度与参考文献和实验值吻合较好,证明了方法的可靠性和可行性。同时分析了三维钝体应用算例的流-固-热稳态计算特征,计算得到稳态时钝头体结构外壁表面最高温度达到535.6K,表明一体化计算方法可用于长航时飞行条件下的气动加热-结构传热多物理场耦合计算分析,为高速飞行器热防护结构设计与选材提供一定的理论与技术支持。     

核心机驱动风扇级二维仿真模型与变循环发动机零维仿真模型耦合方法的研究

为了提高变循环发动机(VCE)零维仿真模型的可靠性和精度,建立了核心机驱动风扇级(CDFS)二维仿真模型,基于完全耦合方法,将CDFS二维仿真模型耦合于VCE零维仿真模型,发展了VCE多维度仿真模型,分析了VCE零维仿真模型与多维度仿真模型计算结果的差异,使用VCE多维度仿真模型,分析了CDFS气动参数径向非均匀分布对VCE性能的影响。结果表明,结合CDFS二维仿真模型对边界条件的要求,重新选取VCE仿真模型中的迭代变量和平衡方程,可以基于完全耦合方法建立VCE多维度仿真模型;与零维仿真模型相比,CDFS二维仿真模型考虑了部件几何参数等物理信息,可以为VCE循环参数分析提供更加真实的部件工作特性,并在功率平衡与流量平衡等条件的约束下引起其它部件工作点及VCE性能的变化;VCE零维仿真模型与多维度仿真模型所得推力的最大差异为2.99%;结合CDFS涵道比,可以将CDFS出口气动参数径向非均匀分布这一流动特性耦合到VCE循环参数分析中;VCE多维度仿真模型对迭代变量初值的选取提出了更高的要求,需要使用VCE零维仿真模型的解作为初值以保证收敛性。     

航空发动机整机性能仿真中的功率平衡方法

提出了一种在CFD三维整机仿真中实现功率平衡的计算方法。推导确定了决定平衡关系的关键变量:涡轮前温度与物理转速。提出了基于稳态流场和功率经验关系实现功率平衡的数值迭代方法。本文将该迭代方法与CFD三维求解耦合,发展了一种可用于三维整机CFD耦合仿真的功率平衡计算方法。采用该功率平衡计算方法对MTJ-80涡喷发动机开展了三维整机CFD数值计算,实现了整机性能三维仿真与控制规律的耦合和预测。在控制燃油量不变的条件下,通过转速迭代可以实现压气机和涡轮的功率差小于0.1%,可以预测固定燃油供给量条件下所能达到的稳态运转转速。在控制转速不变的条件下,通过调节燃油量实现压气机和涡轮的功率差小于0.15%,可以预测固定转速条件下的燃油流量。数据验证结果表明:该功率平很给计算方法可以与CFD三维整机计算耦合,并且具有很强的收敛性,解决了以往整机三维性能仿真过程中的功率不平衡问题。      

压电式微型合成射流多域耦合数值模拟

合成射流器的设计与仿真是优化其性能参数的关键。针对目前合成射流器的计算模型在建立物理模型时存在简化误差而导致仿真精度降低的问题,提出了一种基于多域耦合分析的全流场计算模型。该模型采用通用有限元分析软件ANSYS中的压电耦合单元实现电场 结构场的直接耦合分析,并通过ANSYS与流体仿真软件CFX间的耦合接口完成流场 结构场的同步双向耦合,最终实现了压电式合成射流器真实物理过程的数值模拟。基于此模型对合成射流器的工作过程进行了模拟,并研究了驱动电压和腔体结构参数对喷口速度的影响。结果表明：多域耦合模型能准确模拟合成射流的形成过程,数值模拟与实验结果的变化趋势一致,且相对误差不超过8%,为合成射流器的优化设计及控制提供了理论依据。     

含鸟撞变形叶片的压气机气动性能数值模拟

为研究受到鸟撞前后压气机气动性能的变化，提出了鸟撞叶片结构-气动分析几何模型的转化流程，基于NASA Rotor37 转子得到了鸟撞变形叶片几何模型，分别建立了鸟撞前后的全通道气动性能CFD计算分析模型，在设计转速下开展了全3维黏性 流场数值模拟，并与Rotor37转子部件气动性能试验数据进行了对比分析。结果表明：模拟结果与试验结果非常接近，证明了该数 值模拟方法有效；鸟撞后叶片变形区域攻角增大导致的局部气流分离及并发的气流低速流动的耦合是转子气动性能恶化与转子 进入失稳工况的主要原因，含鸟撞变形叶片的转子压比、效率等气动性能参数明显降低，稳定工作边界明显缩小。所发展的气动 性能数值模拟方法与流程可有效地预估含变形叶片的压气机稳态气动性能。     

高超声速飞行器热环境与结构传热的多场耦合数值研究

为了准确预测高超声速飞行器面临的严峻气动热/力环境以及结构的热力响应,发展了高超声速流动与结构传热耦合框架。采用分区求解方法,通过耦合界面的实时数据传递,实现了基于Navier-Stokes方程的高超声速化学非平衡计算流体力学（CFD）求解器与结构的热力全耦合有限元法（FEM）求解器的多场耦合计算,建立了高超声速飞行器的多场耦合数值分析方法。首先对经典高超声速圆柱绕流实验进行了耦合计算,结果与实验值吻合良好。然后针对典型的超高温陶瓷（UHTC）材料的耦合传热问题进行了数值研究,考虑热传导效应对气动热环境和结构热响应预测的影响,结果表明对于复杂外形且热导率相对较高的UHTC材料,结构内部热传导对热环境和表面温度分布的影响不可忽略。最后针对UHTC材料热物性（比热和热导率）非线性对高超声速流动传热过程的影响进行了研究,结果表明当比热和热导率处于合理的误差范围内时,材料表面温度响应对其变化并不敏感。     

涡扇发动机整机环境下风扇部件气动稳定性评定方法

将基于部件匹配技术的涡扇发动机非设计点性能计算模型和基于李亚普诺夫稳定性理论的压缩部件气动稳定性评定模型有机的耦合, 实现了发动机整机环境下的压缩部件气动稳定性评定, 使得该模型成为一种实用的涡扇发动机压缩部件气动稳定性分析模型.以某型涡扇发动机为例, 计算比较了均匀进气和畸变进气时发动机整机环境和单独部件评定时风扇部件稳定工作边界的异同, 从计算结果可以看到, 均匀进气条件下, 在发动机环境下和单独部件环境下所得到的风扇部件稳定工作边界变化不大;而畸变进气条件下, 同样的进口畸变度, 发动机环境下风扇的稳定裕度损失比单独部件下风扇的稳定裕度损失都小, 即在发动机环境下评定风扇稳定性时, 风扇对进气温度畸变不敏感, 而在单独部件环境下评定时, 风扇对进气畸变比较敏感.      

倾转旋翼机旋翼对机翼气动干扰的建模及分析

建立了一个耦合旋翼自由尾迹模型和机翼面元模型的悬停状态旋翼/机翼气动干扰迭代计算方法,用于分析旋翼对机翼的气动干扰影响.在该方法中,为较好地模拟大桨盘载荷及大扭转桨叶的气动特征,旋翼桨叶采用Weissinger-L升力面模型;为考虑厚度效应及机翼的升力影响,建立了包含源面元和偶极子面元的厚度机翼模型;为正确模拟旋翼桨尖涡与机翼表面间的贴近干扰,采用了一个"分析数值匹配法"的"贴近涡/面干扰模型".应用上述方法,对单独倾转旋翼下洗流分布以及旋翼对机翼的气动干扰影响进行了计算.结果表明,在旋翼下洗流场的干扰下,机翼各剖面都产生向下载荷,但并非简单地随拉力系数的增大而增大;机翼受到的旋翼干扰影响与旋翼下洗流沿桨叶展向变化密切相关.     

考虑力/热/结构多场耦合效应的飞行弹道预测

高超声速飞行器气动力/热/结构多场耦合的一个典型效应是热弹性变形,从而引起气动力变化及配平变化,并进一步改变飞行弹道与控制方案。将FL-CAPTER高超声速多场耦合分析软件拓展至飞行力学领域,建立了考虑气动力/热/结构多场耦合效应影响的弹道模拟新方法,并针对给定舵偏角下自主配平控制的助推-压缩楔组合体外形,开展不同耦合时间尺度下的飞行弹道特性研究,初步探讨分析了多场耦合效应对飞行弹道的影响。研究结果表明：对于助推-压缩楔组合体外形,考虑多场耦合效应后,变形将带来配平迎角增大,飞行器升力、阻力同时增大,升阻比降低,弹道飞行高度增加,飞行马赫数降低,航程变短等一系列影响;同时,气动/弹道耦合计算时间步长的选取对弹道仿真结果存在较大影响,当步长选取过大时,会带来非物理振荡,导致计算结果失真;所提出的基于变形量回溯插值技术的双时间步修正方法能够有效提高弹道仿真精度,削弱因时间步长选取过大造成的非物理振荡。相关研究对认识多场耦合效应与飞行弹道的耦合机理及弹道设计等可提供重要参考。