基于CFD仿真的涡轮流量计动态特性

航空航天领域对于流量计量的要求愈发严格，研究流量计的动态特性对于提高其在各类环境下的测量性能和在线测量性能具有重要意义。以涡轮流量计为例，通过数值仿真研究了其动态性能。在涡轮流量计入口处分别施加脉冲和阶跃2种干扰信号，通过数据处理，得到系统的幅频特性、相频特性、传递函数和阶跃响应曲线。结果表明：涡轮流量计可以作为一阶系统进行分析，脉动流的频率是影响涡轮流量计性能的主要因素；与5 Hz工况相比，50 Hz工况下幅值比降低了60%；相位差随频率的增加而增大，最大相位差近40°；阶跃响应的速度和阶跃流的大小与阶跃幅值有关，负阶跃产生的时间常数大于正阶跃产生的时间常数。     

应用微型计算机处理涡轮流量计校准数椐

前言涡轮流量计出厂前必须一个个地校准,校准中最麻烦的事是处理数据。用两台机械式手摇计算机,二人同时计算,一天只能处理两个流量计的校准数据。近年来由于微型计算机的运用,我们用BASIC语言编写程序在Z80微型计算机上进行流量校准数据的处理,这就极为方便。用微型计算机处理数据,不仅速度快,而且精度高。本文着重介绍一种我们实际应用的BASIC语言程序。     

直接式涡轮质量流量计的数学模型

提出了直接式涡轮质量流量计的概念,应用流体力学的二元边界层理论和二元叶栅理论建立了质量流量传感器的数学模型,并计算了涡轮轴向力的大小。计算表明,涡轮转子所受轴向力的大小与涡轮动量ρQ^2成正比。所提供的结论为研制这一类质量流量计提供了理论依据,也为设计轴向测力传感器提供了数据。     

评涡轮流量计Thompson-Grey的理论模型

运用流体动力学分析,指出了涡轮流量计的Thompson—Grey理论模型中存在的各种缺陷。计算结果表明,改进后的模型与实际情况的吻合程度有了很大提高,涡轮流量计仪表系数的理论估计值与实际值之间的偏差由原来的±(4％～6％)下降至±1.5％以内。     

双叶片气体涡轮流量计的理论模型

在传统机翼理论的基础上，提出了一种能够预测双叶片气体涡轮流量计性能的理论模型。理论计算结果与实验数据吻合良好。     

涡轮流量计校准不确定度的评定

根据测量不确定度的原理,详细分析了涡轮流量计的校准不确定度,推导出它的计算公式,并且结合具体的流量校准装置进行了简化和计算举例。     

分流二差压式质量流量计

等流量分流的分流差压式质量流量计已经被报导过。这种流量计需要使用分出等流量的流量调节装置和产生定体积流量的装置。分流二差压式质量流量计只需进行分流并测得二差压两个量就能测得质量流量。不必进行等流量的分流,因而本流量计不需要调节装置。     

高超声速串联式组合动力装置方案

为保证高超声速运输机在宽广的飞行包线内(Ma＝0~5,H=0~30km)稳 定可靠工作,对涡轮/冲压组合动力装置串联方案展开研究.首先建立了经试验数据校核的 适于高超声速飞行的组合动力装置部件级变循环详细非线性性能计算模型;在此基础上,利 用发动机设计点热力循环分析和非设计点性能分析方法对串联方案的综合特性进行评估,最 终给出一种经过优化的串联布局涡扇/冲压组合动力装置总体性能设计方案.研究结果表明 ,优化方案可有效地缩小组合发动机的结构尺寸与重量,有利于进气道,喷管的调节以及冲 压燃烧室燃烧的组织.通过综合调整发动机5个可调几何部位以及涡轮发动机燃油流量和冲 压燃烧室燃油流量,可以实现涡扇/冲压模式的平稳转换.      

具有可旋转导向叶片涡轮的振动实验研究

为降低涡轮机的燃油消耗率,在民用动力装置的涡轮中广泛地采用了可旋导向叶片的结构。由于导向叶片转动范围很大,引起气流分离。其尾流的不均匀性对安装于其后的工作叶片产生很大的激振力。本文以西德MTU汽车发动机的自由涡轮为试验对象,研究导向叶片旋转角度对工作叶片振动的影响。通过试验测取了在各种转角下,导向器后的流场分布,并在旋转状态测得叶片振动应力的大小,从而得到激振力大小随导向叶片转角变化的规律,给发动机的设计及振动故障的排除提供了依据。     

涡轮流量计转子内完全三元流场的变域变分有限元解

三、涡轮流量计仪表特性曲线的计算由动量矩原理可知,当转子处于平衡时,可得到力矩平衡方程 T_d=∑T_i=T_h T_b T_t T_m T_P T_f下面分别讨论各力矩的大小。     

航空发动机变几何涡轮增压性能研究

提出了一种变几何涡轮增压器用于发动机高空恢复功率的方法,并对其调节规律和相关特性进行研究。依据涡轮流动模型,分析了相同工况下不同喷嘴环开度对涡轮增压器工作的影响。在GT-POWER中建立了变几何涡轮增压发动机模型,通过全高度下不同工况的仿真分析,验证了变几何涡轮增压发动机恢复海平面功率的应用。结果表明,匹配了变几何涡轮增压器的发动机能够显著提高发动机高空可调范围,其使用升限从5 km提升到了6 km,对变几何涡轮增压器应用于恢复功率与喷嘴环开度的调节规律具有指导意义。     

带扰动块的细长旋成体背部绕流数值模拟

为了更好地了解细长旋成体背部绕流非对称涡的形成机理,研究了头部带扰动块对细长旋成体背部绕流结构的影响,通过雷诺平均Navier-Stokes（RANS）法对细长旋成体模型在攻角5°~60°范围内进行仿真。在攻角分别为20°和30°时对是否添加扰动块模型进行对比,分析了不同截面绕流沿轴向位置的发展,提出了验证拓扑结构的一种方法,找到了各流态下奇点的位置,通过涡核位置对模型背部绕流的发展进行了分析。研究表明:添加已知规则扰动块可以加快各绕流结构间的转换速度,使非对称涡产生的攻角减小。      

轴流超跨音高载荷对转涡轮气动特性分析

对转涡轮可有效提高涡轮级效率、减轻涡轮重量、缩短涡轮轴向尺寸和减少涡轮零部件数目.分析了轴流式超跨音高载荷低压无导叶对转涡轮基本气动特性,推导了效率公式,阐述了对转涡轮在减少设计自由度后,其高低压转子气动参数间相互制约关系.研究结果表明:为合理分配对转涡轮高低压转子轮缘功,气动设计参数调整的结果使高压涡轮载荷系数增加,气流转折角变大,气动特征参数明显高于传统同转涡轮.     

涡轮流量计转子内完全三元流场的变域变分有限元解

三、涡轮流量计仪表特性曲线的计算由动量矩原理可知,当转子处于平衡时,可得到力矩平衡方程 T_d=∑T_i=T_h+T_b+T_t+T_m+T_P+T_f下面分别讨论各力矩的大小。     

动静干涉对涡轮转子叶片气膜冷却的影响

为研究动静干涉对涡轮转子叶片气膜冷却效果的影响,选取AGTB涡轮叶栅作为研究对象,匹配前排导叶并对整级叶栅进行非定常数值模拟。对不同时刻流场截面的流动情况以及叶片表面温度随时间的演化规律进行了详细的分析,此外,总结了尾迹和势干涉对下游叶片气膜冷却的影响。主要结论如下:导叶强烈的势干涉作用在幅值为12°的范围内改变下游叶片的入射角,对冷却射流有非常大的影响;尾迹和势干涉作用诱导冷却射流的"上扬"现象,并使其冷气流量增加20%以上,有利于提高瞬时的冷却效果;势干涉对前缘冷却射流的作用时间约为1/2个静子周期,尾迹的作用时间约为1/6个静子周期,前者作用时间长,且效果更强。受到输运效果的影响,整个叶片冷却效果的变化与气膜孔射流状态的变化不是同步的,滞后时间可达1/3个静子周期甚至更长。      

超声波流量测量中流速计算方法的对比

超声波流量计(UFM,Ultrasonic Flow Meter)通过测量管路中顺流和逆流方向的超声波传播时间变化计算流速,因此超声波传播时间的准确测量对流量计的精度影响至关重要.对超声波流量计的测量方法进行研究,从环境温度的变化、时间测量的准确性、不确定度的计算3个方面,对比超声波传播时间差法和频率差法对流量测量精度的影响.通过超声波流量测量实验,验证了在流量计未校准的情况下,与频率差法相比,时间差法的测量精度更高,且其校准系数曲线的线性度更好,校准后可在全流量范围内获得更高的测量精度.     

基于旋量理论及距离误差的机械臂标定新方法

为提高机械臂的定位及定姿精度,必须对其进行标定.标定能否达到预期目的,主要取决于所采用的运动学模型及消除参数识别过程中外来误差的影响.分析了基于不同运动学模型时机械臂的初始位姿误差对标定结果的影响.提出了一种结合旋量理论与距离模型的标定用数学模型.该模型考虑了机械臂初始位姿误差对标定的影响,解决了用D-H参数建模存在的弊端,同时能消除因机械臂坐标系统与测量设备坐标系统之间转换所带来的误差,克服了测量技术上的困难.仿真计算验证了这种新标定数学模型的可行性.      

低雷诺数涡轮内部流场分析

利用三维数值模拟手段研究涡轮内部流动.对比分析了不同飞行高度工作时涡轮内部流场结构的差异,以反映雷诺数的降低对流动结构和性能的影响.结果表明:在高空工作环境下,雷诺数下降近一个量级,负荷分布发生变化,叶片吸力面发生大范围分离,二次流以及径向掺混明显增强,由此导致涡轮性能恶化,效率急剧下降,这些因素在低雷诺数涡轮气动设计中需给予更多的关注.同时指出,负荷分布形式的选择对低雷诺数涡轮设计有重要意义.     

粗糙度对涡轮叶片流动转捩及传热特性的影响

为研究表面粗糙度对涡轮叶片流动转捩以及传热特性的影响,在自行开发的CFD程序平台上提出了对γ-Re_θ转捩模型的粗糙度修正方法,并参考平板绕流和涡轮叶栅的实验数据对该方法进行验证。考虑粗糙度效应的影响,对Mark Ⅱ涡轮导叶5411工况进行数值模拟,得到如下结论:表面粗糙度对层流边界层换热系数影响不大,而对湍流边界层则有较大影响,进而显著改变壁面温度分布;与光滑壁面相比,5μm的等效沙粒粗糙度使吸力面湍流区域壁面温度升高约5.7K,100μm粗糙度使壁面温度升高28.4 K,增幅达5%左右;当壁面粗糙度较低时,激波干涉对吸力面边界层的转捩起主导作用,而当粗糙度大于某临界值时,其作用会使转捩位置突然变化,本算例中该临界值近似为150μm。