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.     

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。      

喷流制冷的高超声速后台阶流场气动光学效应研究

近年来,临近空间的军事应用价值受到了越来越多的关注。为了研究高超声速飞行器典型后台阶结构的气动光学问题，采用研究稀薄气体动力学的直接模拟蒙特卡洛算法(DSMC)研究了临近空间不同喷流控制下的后台阶流动特性，并采用光线追踪方法研究了不同流动控制下流场的气动光学效应。计算结果表明，随着飞行高度增加，壁面热流将增加，同时气动光效应将变弱。在四种喷流冷却方式中，喷流方式A的冷却效果最好，同时没有增加气动光学效应，B、D方式具有一定的冷却效应，但使得气动光学效应更加严重。     

微型涡喷发动机结构设计研究

探讨了一种正在研制的推力为100 N,转速为105 r/min的微型涡喷发动机的结构设计特点.首先介绍了微型涡轮发动机的总体构造特点;其次,又对这台发动机独有的结构特点进行了分析;最后,对它的旋转部件进行了强度、振动分析.最终结果表明旋转部件的结构设计满足要求.这些设计经验对于发展高推重比微型涡喷发动机有参考价值.      

高超声速气动热数值计算壁面网格准则

首先对高超声速气动热数值模拟中的3种壁面法向网格准则(平均自由程(MFP)、自由来流参数网格雷诺数和壁面参数网格雷诺数准则)进行了分析.随后,提出了壁面参数预估方法,使得壁面参数网格雷诺数和MFP两种准则无需进行试算即可直接预估壁面法向网格尺度.其次,运用提出的壁面参数预估方法结合不同网格准则,在同一实验条件下确定多个壁面法向网格尺度,通过与实验数据对比研究各网格准则确定的壁面法向网格尺度是否满足热环境模拟精度要求,并对提出的壁面参数预估方法进行验证.最后,开展了高超声速二维完全气体及真实气体效应算例、三维钝双锥算例的数值模拟.研究表明,壁面参数预估方法是可靠的;自由来流参数网格雷诺数准则随来流静温变化所确定的网格尺度变化趋势与物理推理相悖;基于壁面参数网格雷诺数和MFP两种准则主要受壁面温度影响,其在同一条件下所确定的网格尺度基本一致,并满足热环境模拟的精度要求.      

可变桨距冲压空气涡轮混合型流场数值研究

冲压空气涡轮流场数值研究主要目的是模拟在实际高空加油工作状态下涡轮变桨距气动特性.数值风洞实验采用代数Baldwin-Lomax湍流模型,雷诺平均Navier-Stokes方程,模拟可变桨距冲压空气涡轮全三维混合型流场,并分析其流场主要气动特性,探讨桨叶载荷分布原因,然后将数值模拟结果与风洞实验数据进行了比较.改进桨叶近轮毂区域气动性能可进一步提高冲压涡轮载荷.      

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.     

小型平板CPL实现高热流密度散热的研究

针对小型平板毛细抽吸两相流体回路(CPL)在高热流密度下的特点,分析了不同工质时系统的压力损失与毛细芯的毛细抽吸力,得出采用氨工质有着较好的传热性能和更高的毛细限,同时得出影响系统毛细限的主要因素是蒸汽联管管径和工质的蒸气密度,提出了工质传输系数作为选取工质的重要指标。建立了蒸发器多孔芯,金属壁面以及工质气、液空间区域的耦合数学模型,并运用SIMPLE算法进行求解,得出蒸发器内的温度分布及由于侧壁效应对多孔芯传热传质与传热极限的影响,同时提出小型平板CPL系统存在侧壁效应传热极限,它是影响系统最大传热量的一个重要极限,在设计小型平板CPL必须予以考虑。     

金属蜂窝板高温环境下的隔热性能试验与计算

采用红外辐射加热式气动热模拟试验系统,进行了高温环境下的金属蜂窝板隔热性能试验研究,试验温度最高达到800℃;采用有限元的方法进行了金属蜂窝板传热特性数值模拟,计算中考虑了蜂窝板内部金属蜂窝芯结构的导热,蜂窝腔内壁面间的辐射换热和蜂窝腔内空气的传热.研究结果显示,金属蜂窝板后表面的试验测试数据与数值模拟结果吻合的很好.金属蜂窝板在高达800℃高温热环境下的隔热性能数值计算和试验结果将为航天航空器的防热结构研究提供参考依据.     

涡轮叶片尾缘复合通道的换热

采用热色液晶测温法,测量了涡轮叶片尾缘带隔板的复合通道的温度场,分析了射流冲击强化扰流柱通道内换热的机理,讨论了两通道间隔板的不同开孔结构对换热的影响.从工程应用的角度出发提出了几个换热评价指标,对不同开孔结构的隔板进行了换热评价.结果表明:冷气由第1通道进入,通过隔板上的孔不断由径向流动变为弦向流动后,对第2通道的扰流柱区形成冲击,最后由劈缝排出,提高了尾缘的换热;开孔均匀的隔板换热效果相对较好.     

涡轮叶片尾缘复合通道的流动与换热

实验研究了涡轮叶片尾缘带纵向隔板内冷通道的流动与换热特性.采用相变加热的方法为实验提供了等壁温边界条件,模型实验件采用了扰流柱和微小通道结构,并且分别与直隔板和波形隔板进行组合实验,以期望得到综合换热效果最优的组合.为了获得通道的局部换热信息,实验件的一侧外壁面被细分成了10个集水区域分别进行研究.结果表明:当Re在10 000~60 000之间时,综合换热效果最差的是直隔板加光通道的组合结构,综合换热效果最佳的是波形隔板加微小通道的组合结构.     

涡轮叶片尾缘复合通道隔板结构

采用热色液晶测温法测量涡轮叶片尾缘带隔板的复合通道的温度场.研究复合通道中3种不同形状的隔板对换热和流阻的影响.主要在矩形隔板、90°波形隔板、120°波形隔板3种结构之间进行换热和流阻的比较.结果表明:在本实验评价指标下,2种形状的波形隔板的换热均好于矩形隔板,而且相对较小的压力损失;90°隔板在第1通道换热上好于120°隔板,第2通道两隔板的换热基本相当,但是90°隔板相对有较大的压力损失.      

涡轮叶片微小通道气膜新型复合冷却结构设计

利用数值模拟的方法,研究了一种应用于涡轮导向器叶片的微小通道气膜新型复合冷却结构.重点是对微小通道和气膜孔的新型复合冷却方法进行结构设计并进行结构优化,探讨不同的冷却结构形式对流动和换热的影响.研究表明:不同的复合冷却结构对冷却效率和压力损失的影响不同;在所设计的几种复合结构中,分枝小通道结构在平衡冷却效率和压力损失方面有着较好的效果;所计算的几种复合结构的结果都显示,微小通道气膜新型复合冷却结构的冷却效率高于铸冷叶片的冷却效率,冷却效果好,具有巨大的应用前景.     

考虑制造约束的印刷电路板式换热器优化设计

针对印刷电路板式换热器(PCHE)的微流道结构参数设计制造一体化问题,开展了考虑制造约束条件的换热器性能优化的研究。通过流体仿真分析了流道宽度、深度和深宽比对温度分布、压力损失和换热系数的影响。使用多目标遗传算法(MOGA)建立了换热性能的多参数多目标性能优化仿真模型,根据性能优化获得的设计参数建立微流道结构辊压成形工艺仿真模型,得到制造约束条件,将制造约束反馈到性能优化仿真模型中,得到宽为0.29 mm、深为0.39 mm的矩形微流道优化设计参数,且通过辊对辊(R2R)的辊压工艺实验验证了该优化方法的可行性。考虑制造约束的换热器优化设计方法在性能优化设计阶段引入工艺限制条件,是实现换热器一体化设计制造的有效手段。      

面向气热耦合的涡轮叶片计算域模型建模方法

针对冷却结构复杂的涡轮叶片在气热耦合数值模拟中计算域模型建模效率低、模型质量不稳定以及对数值模拟适应性差等问题,分析面向制造的涡轮叶片模型及建模方法,结合气热耦合数值模拟对涡轮叶片数值模拟的实际需求,提出一种面向气热耦合的涡轮叶片计算域建模方法。通过外型冷却特征自动定位生成算法,创建涡轮叶片冷气域部分;通过自适应管道求交算法、边界自动匹配算法,创建能够适应不同叶型的涡轮叶片燃气域部分;此外,在创建流体域的过程中提取气热耦合数值模拟所需的关键几何特征及非几何信息,并与冷气域、燃气域、叶片实体集成,完成气热耦合计算域模型的生成。基于以上研究开发涡轮叶片气热耦合计算域模型快速建模系统,验证所提方法的有效性。      

等重量空心盘冷气布置方案

采用数值方法研究了双辐板涡轮盘(即空心涡轮盘)腔内的流动和换热结构.在空心涡轮盘与实心涡轮盘重量一定的前提下,按照转静腔和旋转腔冷气进气位置不同,提出几种组合进气方式的空心涡轮盘冷却结构,即:中心进气转静腔+中心进气旋转腔、中心进气转静腔+高位进气旋转腔、高位进气转静腔+中心进气旋转腔以及高位进气转静腔+高位进气旋转腔.计算结果表明:中心进气转静腔+高位进气旋转腔结构、高位进气转静腔+高位进气旋转腔结构与等重量实心盘及其它空心盘结构相比具有较好的换热效果,同工况下涡轮盘体积平均温度和最大径向温差在空心盘各结构中较低,但阻力损失较大.