过冷大水滴变形与破碎的影响因素

过冷大水滴（SLD）结冰过程中,影响水滴变形与破碎及其导致的效应的因素众多,多种影响因素耦合作用于水滴变形与破碎的规律还未得到清晰认识。采用数值计算的手段,模拟了SLD运动过程中的变形与破碎现象,分别研究了水滴直径、流场速度及绕流物体尺寸变化对水滴破碎与变形及其效应的影响。通过研究,提出了包含SLD的典型流场区域划分方法,得到了不同因素对水滴破碎区域面积、物面的水滴收集特性、破碎子水滴分布特性的影响规律,发现水滴直径、流场速度、翼型前缘半径与变形和破碎影响撞击特性的程度呈正相关关系。在此基础上,提出了一个综合影响参数X,线性回归分析的结果初步说明,X是表征水滴变形与破碎及其效应的合适参数。相关工作可以为SLD结冰的计算、试验以及防/除冰设计提供参考。     

变形破碎特性对SLD结冰过程影响

基于结冰过程数值模拟,针对过冷大水滴（SLD）条件下的变形破碎特性及其对成冰过程影响进行了研究。利用动态阻力计算模型,分析了水滴变形对水滴运动轨迹影响,采用基于泰勒类比理论的计算模型,研究了水滴破碎过程、子液滴粒径分布特性等。完成了NACA 0012翼型典型SLD结冰算例的数值分析,与参考文献计算结果和实验数据进行对比。结果表明:对于SLD结冰,变形和破碎主要改变了水滴运动轨迹和表面撞击水分布,使水滴撞击极限变小,在加入变形破碎特性的计算模型后,可以较好预测结冰极限位置和冰形轮廓,说明该方法对SLD变形破碎效应及其影响的模拟是可行和正确的。      

SRM两相内流场模型计算

火箭发动机内流场中的大量液态颗粒与喷管的壁面发生碰撞后会产生沉积和破碎,从而影响发动机的性能。针对此问题,采用颗粒与壁面碰撞破碎沉积模型和欧拉-拉格朗日两相流模型对某固体火箭发动机中不同尺寸的颗粒与喷管背壁区和收敛段碰撞破碎和沉积的基本情况进行了数值模拟,并与相关试验结果进行了对比。计算得到了流场中不同直径颗粒在考虑碰撞破碎后的分布情况和在壁面的沉积情况。计算结果说明,颗粒与壁面碰撞破碎后会大大增加流场尤其是喷管段中小颗粒的数目,颗粒的沉积主要集中在背壁区的下部,而大颗粒主要沉积在喷管收敛段。     

CO_2激光烧蚀水所形成气蚀空穴机理研究

分析了激光烧蚀液体时形成表面空穴的机理。利用高速相机获得CO2激光烧蚀蒸馏水的流场照片,对空穴的发展过程进行了分析,发现空穴的快速发展期在最初的100μs内,之后在几百μs内保持平衡。用简单模型计算了不同能流密度下,空穴平衡时的形状,并分析了模型的局限性。研究结果对于揭示激光烧蚀水产生推力的机理有重要意义,有利于促进水工质激光推进的发展。     

两级对置式离心压气机湿压缩研究

本文以两级对置式离心压气机为对象,采用数值模拟方法研究了湿压缩对压气机特性和内部流场的影响。数值计算借助ANSYS CFX软件,采用欧拉-拉格朗日法耦合计算连续流场和离散粒子项,基于k-ε湍流模型、变比热拟合公式计算焓熵值,利用安托万方程求解饱和蒸汽压力并加入液滴破碎CAB模型和撞壁模型。在压气机进口采用干空气和不同喷水量与粒径组合共计7个工况条件下,对比分析了压气机总体性能变化、部件性能变化及水滴的运动轨迹。结果表明,湿压缩使得整机压比和效率均有所提高,但效果越好裕度越小。低压级内湿压缩效果明显,水滴蒸发使得出口温度降低;高压级湿压缩降温增益不明显,但受上一级冷却效果影响,压比和温比都增加。水滴在叶轮中主要积聚在叶片压力面根部。扩压器和回流器中产生了较大的尾迹损失,扩压器前缘受水滴破碎和掺混作用,产生较大熵增。     

水滴撞击特性的数值计算方法研究

 对水滴撞击特性的数值计算方法进行了研究。在对防冰部件流场进行计算的基础上,通过对水滴所在单元的判断和单元内流场速度的插值求解以及水滴运动轨迹计算边界的判断,采用差分法对水滴运动方程进行了数值求解,得到了水滴运动轨迹,从而确定了水滴的撞击极限、总收集系数和局部水收集系数等水滴撞击特性参数,为飞机防冰系统的设计奠定了基础;此外,以发动机进气道的水滴撞击特性的计算为算例,研究了飞行高度、飞行速度及水滴半径对水滴撞击特性的影响。     

过冷大水滴动力学特性对结冰影响数值研究

对比常规水滴,过冷大水滴结冰对飞机气动性能和飞行安全具有更大的危害性。在常规水滴结冰过程数值模拟基础上,针对过冷大水滴条件下各种动力学特性及其对成冰过程的影响进行了数值研究。采用结构化网格和中心有限体积法求解 N-S 方程获得空气流场,用拉格朗日法求解水滴流场,基于改进的 Messinger 热力学模型完成结冰过程模拟;对于过冷大水滴,采用泰勒类比理论和水滴碰撞模型,对比分析了水滴动力学特性及其对结冰过程的影响;通过数值模拟获得了水滴 Langmuir D 分布的撞击特性及结冰计算结果,研究了水滴多尺度分布对成冰过程的影响规律。通过一些典型结冰算例的数值模拟,并与参考文献结果及实验数据的对比分析,说明了本文计算方法及计算模型模拟过冷大水滴结冰是可行和正确的。     

多重网格加速的LUSGS算法用于喷管流场数值模拟

采用有限体积法,二阶精度插值的Roe格式对三维流场N-S方程进行空间离散;采用LUSGS隐式时间推进法和多重网格技术加快计算收敛速度;采用独特的显式算法克服了两方程湍流模型刚性对流场计算收敛速度的影响,并给出了该方法的理论依据。通过轴对称喷管内流场、二元喷管内外流场的数值模拟验证了采用以上方法在计算效率上的提高。最后将RNG模型计算结果与SA模型计算结果及实验数据做对比分析。     

二维翼型大尺寸过冷水滴撞击特性及冰形分析

基于现有大尺寸过冷水滴(supercooled large droplet, SLD)动力学特性,分析水滴变形对阻力的影响.并根据几种典型的反弹/飞溅模型,分析了SLD的阻力变化、反弹、飞溅等对水滴撞击特性的影响,采用软件FENSAP-ICE的飞溅模型和LEWICE 2.0的反弹模型研究了反弹及飞溅现象对冰形的影响.计算结果显示:水滴撞击前的破碎现象对水滴尺寸分布有较大的影响,进行撞击特性以及冰形计算的时候需进行考虑;SLD破碎、飞溅、反弹降低了局部水收集系数、减小了水滴撞击范围;飞溅现象主要发生在机翼前缘附近区域,反弹主要在撞击边缘区域;水滴直径增加,飞溅现象逐渐减弱,但边缘位置的反弹现象一直很明显.SLD变形带来的阻力影响对冰形及结冰区域影响很小;与未考虑飞溅及反弹现象得到的冰形比较,考虑飞溅及反弹得到冰形前缘区域形状变化不大,但是整体结冰区域减小.      

高速进气道抛罩过程内流场演化特性研究

为探究进气道整流罩打开过程中内流场的演化规律,针对下颌式进气道及其配套整流罩,基于重叠网格法求解N-S方程,详细分析了抛罩过程中内流场演化过程与特征流场结构。研究表明,堵罩时,整流罩前端发展出V形激波,整流罩尾部形成后向台阶且产生一对涡矢量方向相反的流向涡,开罩过程中,整流罩前端的V形激波与尾部的后向台阶均会对内流场流动产生影响,捕获流量在中间某时刻达到峰值且大于稳定状态。对于开罩过程流动准定常且内流道无大分离区的流场,进气道在V形激波打在唇口时完成起动且整流罩在此后不影响内流场流动。假设的匀加速转动与重构出的真实转动吻合较好,对于更精确的运动过程模拟可采用三次函数的角速度变化律。     

滚动轴承内圈故障的动力学模型建立及仿真

针对目前滚动轴承内圈含单一点蚀故障模型无法真实再现实际故障发生过程的缺陷,基于接触理论,综合考虑内圈变形和故障实际尺寸等因素,根据滚动体通过内圈点蚀故障形变量渐变释放的客观事实,建立了1种滚动轴承内圈故障的动力学模型,克服了传统模型瞬间释放变形量导致冲击力过大的缺陷。经数值仿真和试验验证表明了该模型的正确性。     

基于SA和SSTγ-■模型对边界层转捩预测的比较

利用作者共同研发的In-house代码TRANS3D平台,在SA和SST两种常用湍流模型框架下构建了γ-■转捩模型,并以二维低速S809层流翼型和三维小后掠跨音速F5层流机翼为对象,比较了两种不同湍流模型构架下γ-■转捩模型预测的气动力特性和流场分布。结果表明:两种转捩模型均能预测航空转捩计算中常见的分离流转捩和自然转捩类型,明显改善了中低雷诺数流场下的预测精度,但由于选取基准湍流模型的不同,基于SA和SST的γ-■转捩模型在流动细节上依然存在着一些差异。     

基于内窥式PIV的回流燃烧室冷态内流场测量

为了突破传统测量光路限制,实现对航空发动机三头部全尺寸回流燃烧室模型试验件内部冷态流场精细化测量,自主搭建了一套内窥式PIV测量系统,在自模区工况下对其内部冷态流场进行了测量调试。结果表明,在壁面之上预设内窥小孔即可实现测量光路布置,采用大焦距光学适配接口能够很好的解决相机内窥镜成像圈较小的技术难题。通过缩短相机内窥镜工作距离和采取多种消光措施大幅提高了测量空间分辨率和信噪比,最终实现了模型燃烧室内部冷态流场精细化测量,获得了内部流场结构信息。     

欧拉方程计算非定常流动的一种数值方法

提出了利用欧拉方程计算非定常流动的一种数值方法。在利用中心差分的有限体积法和双时间推进法求解非定常欧拉方程过程中，通过在固定物面边界上满足完全的非定常边界条件，计算出非定常流场。算例结果表明，本文方法具有高效、简便的特点，而且能描述激波的非定常运动和变化情况。     

模具约束条件对H96黄铜双脊矩形管E弯截面变形的影响

 双脊矩形管的绕弯成形受内外侧模具的共同约束,不同模具约束下管坯的受力不同,使得其截面变形情况也不相同,而截面变形严重地影响弯管件的成形质量和使用性能。因此,基于ABAQUS有限元平台建立了双脊矩形管E弯成形三维有限元模型,并通过实验验证了模型的可靠性。采用所建模型,研究了内外侧模具约束条件对双脊矩形管E弯截面变形的影响规律,发现当只有内腹板脊槽受约束时,内腹板脊槽的内缩变形可得到较好的控制,而其他部位的变形则有增大的趋势;当只有外腹板脊槽受约束时,内腹板脊槽宽度变形基本不发生变化,而其他部位的变形则有减小的趋势;当内外腹板脊槽均受约束时,可较好地控制双脊矩形管E弯过程中的截面变形。芯头个数对整管截面高度、宽度、外腹板脊槽宽度与两脊槽底部的间距的变形影响较大,但对内腹板脊槽宽度的变形影响不显著。     

旋翼地面效应的气动建模与特性

地面对旋翼气动特性影响明显，且导致旋翼流场更加复杂。为分析地面效应下的旋翼桨尖涡和流场变化特性，基于涡面和无滑移边界条件，求解第2类Fredholm方程获得地面涡面矢量分布，且将涡面矢量按涡扩散方程扩散到流体中，建立考虑黏性效应的地面气动模型，并耦合非定常面元/黏性涡粒子混合法以体现旋翼桨叶气动特性和旋翼尾迹的非定常效应，构建旋翼地面效应气动分析方法。通过计算Lynx尾桨地面效应下的性能和桨尖涡轨迹，并计算Maryland大学模型旋翼和NASA缩比旋翼地面效应下的垂向、径向速度分布，且与试验和CFD计算结果对比，验证了本文方法能较好捕捉地面效应下的旋翼尾迹变化特性和复杂速度场特性，且结果表明本文方法能较好模拟地面效应下旋翼桨尖涡的收缩、扩散、井喷、地面射流等物理现象。     

多组分液滴自然对流厚交换层蒸发模型及其检验

为发展多组分液体燃料高温蒸发模型,首先以零扩散和无限扩散概念为基础,拓展考虑自然对流的厚交换层高温蒸发模型到多组分液体燃料,提出多组分NC-TEL模型。其次,采用挂滴法对正庚烷-乙醇、正癸烷-乙醇、RP-3航空煤油-乙醇三种混合燃料的单液滴在高温静止和强迫对流条件下的蒸发特性进行实验研究。实验结果显示:混合液滴蒸发速率随温度升高而显著增大,温度越高组分构成比例对液滴蒸发率的影响越明显;本文实验条件下,对流环境对于液滴蒸发的促进作用并不明显。最后,用实验数据检验蒸发模型。模型对比结果显示:总体上,NC-TEL模型优于R-M模型,高温段预测精度平均提升了8%～35%;低温段,零扩散NC-TEL模型与实验结果吻合程度较好,而无限扩散NC-TEL模型与实验结果相比误差略大;高温段,对于正庚烷-乙醇混合燃料液滴,NC-TEL模型预测较为准确,而对于正癸烷/RP-3航空煤油-乙醇混合燃料液滴,NC-TEL模型预测值则偏低,可能的原因是微爆现象和Marangoni现象。     

Thick exchange layer evaporation model with natural convection effect and evaporation experimental study for multicomponent droplet

In order to investigate the high-temperature evaporation characteristics of multicomponent liquid fuel, three kinds of blended fuel: n-heptane/n-decane/RP-3 aviation kerosene-ethanol were experimentally studied with and without forced convection. Further, based on zero-diffusion and infinite diffusion concept, this study expanded Thick Exchange Layer evaporation model with Natural Convection effect (NC-TEL) to multicomponent liquid fuels. The experimental results show that the droplet evaporation rate increases significantly with the increase of ambient temperature. Higher temperature leads to more significant relationships between the composition ratio and the evaporation rate. The effect of forced convection is not obviously under the circumstance in this paper. Then, the evaporation models were validated by experimental data. In general, the new NC-TEL model behaves better than the Ranz-Marshall (R-M) model, and the prediction accuracy at high temperature is improved by 8% to 35%. In lower temperature conditions, the prediction of zero-diffusion NC-TEL model is better than the infinite diffusion NC-TEL model. In high-temperature conditions, for n-heptane-ethanol droplet, the predictions of NC-TEL model are accurate, but for n-decane/RP-3 aviation kerosene-ethanol, the predictions are lower than experimental results. This may be caused by the micro-explosion phenomenon and the Marangoni phenomenon.     

激光冲击叶片榫头变形控制与疲劳试验

针对某航空发动机涡轮叶片榫头部位疲劳断裂故障,利用激光诱导高压冲击波对榫头部位进行冲击强化,提高其抗疲劳性能。在试验测试激光冲击GH4133B镍基高温合金材料残余应力场的基础上,确定了叶片材料激光冲击工艺参数;根据榫齿面转接R区结构特征,设计了不等强度分布冲击方式,保证强化区域残余应力均匀、过渡分布,防止出现应力突变。由于榫头结构不均匀,高压冲击波引起的塑性流动使叶片发生宏观变形,采用数值仿真方法分析了激光冲击后叶片榫头宏观变形规律和机理。在此基础上提出了激光冲击叶片榫头变形控制的方法,并设计了榫头结合面冲击区域和方式,保证叶片榫头两侧对应区域的激光能量输入基本相当,通过结合面的塑性流动来减小叶片榫头宏观变形。冲击处理后的叶片榫头表面粗糙度、滚棒尺寸和平面度等均满足技术要求。并分析了激光冲击强化提高叶片高温疲劳寿命的原因。疲劳试验结果表明：激光冲击强化可提高叶片榫头部位的高温高低周复合疲劳寿命提高了279%。