轴对称收扩喷管温度场数值仿真

为了提高轴对称喷管壁温仿真精度及获得影响壁温的主要因素,通过加力燃烧室和轴对称收扩喷管联合仿真,并将 CFD数值模拟结果和试验状态喷管壁面温度进行对比分析,研究了边界条件对喷管壁温的影响。基于加力喷管联合仿真提取喷 管入口参数的方法研究了收敛段隔热屏结构形式、收敛段冷却通道高度和冷却气流量对轴对称收扩喷管壁面温度的影响。结果 表明：采用加力和喷管联合仿真计算时喷管调节片链温度与试验结果规律一致,差值较小约50 ℃;随隔热屏加长调节片温度降 低,密封片温度升高;后端半圆形缺口的隔热屏使得扩张段温度呈V型分布,调节片温度升高,密封片温度降低;全环隔热屏对调 节片和密封片均有较好的冷却效果;随冷却通道高度减小2 mm,调节片温度升高50 ℃,密封片温度降低;随冷却气流量增加1 kg/s 喷管最高壁温降低200 ℃。     

高超声速喷管气膜冷却流动与传热特性研究

基于雷诺时均方法并结合SST k-ω湍流模型，对空气气膜作用下的马赫数6高超声速喷管流动与传热特性进行了数值研究，分析了气膜流量、气膜狭缝几何参数（狭缝高度、台阶厚度）、狭缝流向位置对喷管壁面尤其是喉道热流密度以及对喷管出口气流品质的影响特性。计算结果表明，引入气膜可以显著降低喷管尤其是喉道的壁面热流，而气膜对喷管出口气流速度分布的影响很小，对出口温度分布有一定的影响。当气膜流量仅为主流的3.53%时，喷管喉道热流的降幅达30.1%；增加这一值至14.25%时，喷管喉道热流的降幅升至87.3%。同时，改变狭缝流向位置以及狭缝高度对气膜冷却效率有一定的影响，而改变台阶厚度对冷却效率的影响很小。     

热载与进口气流条件对柱肋通道换热的影响

目前关于燃气涡轮叶片冷却的实验研究多数是在常温常压进口气流和低壁温条件下进行的,而实际燃气涡轮叶片的冷却气流为来自于压气机的高温高压空气,且涡轮叶片壁面热载（定义为加热壁面壁温与冷却气流进口温度之比）很高。为了掌握热载与进口气流条件对于涡轮叶片尾缘内部冷却通道的冷却效果的影响,本文在考虑空气物性随温度变化的情况下,采用数值模拟方法进行了相关的计算和分析。计算选取了两种进口气流条件（常温常压、高温高压）,热载为1.1-1.9,进口气流雷诺数为5×103-1×105。计算结果表明,进口气流雷诺数一定的情况下,随着热载的增大,通道内换热能力降低,流动阻力系数增大;与常温常压进口气流条件相比,高温高压进口气流条件导致通道努塞尔数降低,并且努塞尔数在高热载条件的降低更为显著;在进口气流雷诺数为60000的条件下,高温高压进口气流、热载为1.9的条件下通道的努塞尔数比与常温常压进口气流条件、热载为1.1条件下通道的努塞尔数降低了15.8%,且随着进口气流雷诺数的提高,通道换热的削弱程度进一步增大。本文的研究表明,涡轮叶片的冷却设计必须考虑叶片冷却的实际条件,并对实验数据结果进行合理修正。     

冷却涡轮定常/非定常流场的内外耦合快速计算方法

通过源项传递的方法将计算叶片内部流动与冷却的流体网络法与计算叶片外部冷却的源项模拟法耦合起来并嵌入到叶片外部三维气动计算程序中,实现了整个冷却涡轮叶片流热环境的快速模拟.基于此方法编写了计算机程序CTUCP.首先将程序应用到涡轮静叶栅C3X的定常冷却计算中,并与CFX的计算结果进行了对比,结果表明:CTUCP计算稳定、计算速度要快一个数量级以上,并且对叶片表面前缘之外区域的温度分布总体趋势预测基本相符.然后将程序应用到C3X脉动冷却的计算中,计算了两种冷气进气脉动幅度下叶片的冷气与壁温脉动特点.      

面向飞/发一体化设计的高温尾喷口流场分析

结合飞/发一体化设计理念,以提升红外隐身性能为目的,引入横向掺混技术进行尾喷管构型设计。应用计算流体力学(CFD)数值仿真方法,分别分析了圆形喷管和矩形喷管流场温度分布,并提取矩形喷管中心面,研究喷管带小孔壁板偏折角对尾流冷却效果的影响。研究结果表明:相对于入口热流温度,矩形喷口降温率约为30%,尾气流喷出后偏向两侧流动,高温核心区体积快速衰减;圆形喷口降温率约为10%,尾气流喷出后沿轴向一直保持圆柱形,高温核心区体积衰减缓慢。矩形喷口主动冷却效果明显高于圆形喷口,更有利于实现飞/发一体化的热管理及红外隐身。同时,中面带小孔壁板偏折角的大小与主动冷却效果也存在密切关系。     

喷管超音段壁面排气引射冷却方案气动特性研究

在常温条件下,对3种轴对称收扩喷管超音段壁面排气引射冷却方案(缝隙式气膜冷却、离散孔式气膜冷却和冲击—气膜组合式冷却)的气动特性进行了试验研究,得到了不同冷却方案的推力系数、壁面压力分布和抽吸特性以及冷却气流量对这些性能的影响。试验结果表明:与常规轴对称收扩喷管相比,采用排气引射冷却的喷管具有更好的推力特性,3种喷管的抽吸特性都优于轴对称基准喷管。      

激波诱导轴对称气动矢量喷管壁面静压分布的试验

在落压比3～10,次流相对流量0%～20%的情况下,对扩张段开缝的激波诱导轴对称气动矢量喷管模型试验件的壁面静压分布进行了试验.结果表明:次流的注入形成了周向壁面静压差,使喷管内流场呈现明显的三维流动特征;落压比和次流相对流量对喷管的壁面静压分布有较大的影响,并在一定条件下影响到收敛段的流动;在落压比4,次流相对流量大于15%时,激波有可能会碰到周向距次流注入最远处的壁面,使其气流分离并引起壁面静压的升高.      

冷却流量变化对叶栅冷却效果影响的数值模拟

采用气流流场与叶栅温度场耦合求解的数值模拟方法,研究了涡轮冷却叶栅前缘附近有冲击冷却结构时冷却流量变化对叶栅冷却效果的影响。计算结果表明:冷却流量增大,冷却气流射入主流场的穿透能力增强,在卵形涡对的诱导下,高温燃气绕过冷却气体并包围住了冷却气流核心区域,使其远离壁面。同时,冷却气体与主流相互作用发生掺混的能力增强,温度很快升高,对叶栅壁面的气膜保护作用降低;冷却流量增大,主冷却腔和冲击冷却腔内部流速增大,换热效应增强,内壁面冷却气流带走的热量加大。     

辅助活门对串联TBCC排气系统的影响研究

在低落压比状态下,对有无辅助活门的两种串联式TBCC组合喷管开展了数值模拟计算,并对包含辅助活门的串联式组合喷管进行了实验研究,通过分析其壁面沿程压力分布与波系结构的变化情况,探究辅助活门对串联式组合喷管气动性能的影响。结果表明：辅助活门结构减少主流喷管外壁面的流动分离区范围,有效的提高了组合喷管内推力。带辅助活门型组合喷管能够引射环境气流,减少引射喷管壁面的回流区范围与底部阻力,从而减少推力损失,提升组合喷管整体性能。提高次流压比或降低主流压比,主流喷管出口处欠膨胀程度降低,声速线往下游方向移动,主流流量减少。提高主流压比或者次流压比都能使辅助活门引射环境气流量增加。辅助活门进气通道距离会改变次流射流与引射喷管的相对位置,距离过小或过大都会造成引射环境流体流量减小。     

动力模拟风洞试验中标准推阻分解方法的适用性分析

从标准推阻分解方法（Standard Bookkeeping Method ,简称SBM）的原理出发,分析了该方法在不同发动机模拟状态下的适用性。当发动机风扇压比高、喷管流动达到超音速（壅塞）状态时,动力模拟试验采用SBM方法计算质量流量和推力,其结果是正确的;当发动机风扇压比低、喷管流动为亚声速流动状态时,此时质量流量和动力模拟器的推力计算与外涵出口平面处的静压相关,SBM方法中喷口处静压Pe与前方来流静压P0相等的假设,导致计算中引入误差从而影响动力干扰分析。文中给出了不同静压差引起的质量流量和推力误差量,表明在动力模拟风洞试验中应测量外涵出口平面处的静压以获得可靠的动力干扰量。     

冷气掺混对高压涡轮气动性能影响的数值研究

采用数值方法研究了冷气掺混对高压涡轮气动性能和叶栅通道内部二次流动结构的影响，计算结果表明:冷气流量增加，冷却高压涡轮导叶和转子型面总载荷降低，导叶进、出口马赫数均减小，转子出口相对马赫数在径向0~0.55区域增大而在径向0.55~1.0区域减小.导叶进、出口气流角受冷气流量的变化影响较小.冷气流量由压气机进口流量的4.83%增加至14.49%，转子进口相对气流角在径向0.05~0.95区域增大而出口相对气流角在径向0.6~1.0区域减小，导叶绝热壁面冷却效率先升高后降低而转子绝热壁面冷却效率提高了19.33%.轮毂和机匣封严气呈束状进入转子叶栅通道且腔内封严气流动受旋转轮盘抽吸效应影响较大.      

民机冲压空气系统流动特性仿真研究

民机冲压空气系统通过机身蒙皮开口引入外界空气为飞机空调系统、辅助冷却系统和惰化系统提供合适压力与流量的冷源,其性能的优劣影响飞机的经济性与舒适性。冲压空气系统包括了进排气口、换热器、风扇和管路等部件,其内部的复杂流动特性决定了冷源流量在各个用户系统中的分配。为了在冲压空气系统的设计过程中根据各用户系统的需求完成合适的流量分配,需要通过冲压空气系统流动特性的三维仿真计算来获得。针对冲压空气同时受到机外环境和内部部件影响的特点,建立了机外远场和内部各部件仿真计算模型,通过CFD方法实现了冲压空气系统内部三维流动趋势的计算,获得了冲压空气系统流量分配结果和流道内的压力分布,为冲压空气系统的整体设计提供了参考。     

径向冷却通道截面特征长度对气冷稳定器性能影响

通过研究径向冷却通道截面特征长度的改变对气冷稳定器的冷态流场、冷却性能及流动损失的影响，为其进一步的优化设计提供参考依据。采用经过实验验证的CFD方法，对某气冷稳定器进行了数值模拟研究，在所研究的特征长度范围内，结果表明:特征长度的增加，减少了径向冷却通道下部的进气阻力，使得风兜引气率增加了667%；下部出气孔出流由于受到回流涡的影响，出流量明显低于上部出气孔，特征长度的改变对出流量分布的影响不大；特征长度的增加会加强径向稳定器近环形稳定器处的外壁面冷却效果，但是会减弱径向稳定器近中心锥处的外壁面冷却效果；特征长度的增加，使得出口总压恢复系数下降了0.086%，沿程总压恢复系数曲线向下移动。      

超声速旋流器内气相流场的数值模拟

为了研究旋流对超声速喷管内流场的影响，在现有旋流器的基础上，通过简化模型而设计出一套前置式超声速旋流器装置，并建立不同旋流器下的三维几何模型，利用计算流体动力学(CFD)软件Fluent，结合realizable k-ε湍流模型对气相流场进行数值模拟。结果表明：在保持入口总压恒定时，随着进气道数量的减少，气体在旋流器中产生的最大切向速度会增大，但不会改变喷管流动具有组合螺旋涡的特性；由于气体的角动量是以减小轴向动量为代价，切向速度的增大，导致出口截面处的平均轴向速度减小；入口总压增大时，气体速度与静温在收缩段的分布接近，在扩张段，气体速度和马赫数增大，而静温减小，并且切向速度在出口截面沿径向方向上呈现出几乎相同的分布。     

管道网络算法在涡轮内冷叶片换热计算中的应用

基于管道网络算法的概念,开发了适用于内冷通道换热计算的程序,耦合外流场求解程序HIT3D,以Mark II叶片实验工况5411的结果做验证,传热系数和温度的计算值与实验值有着较好的吻合.在此基础上,对某型高压涡轮动叶内冷通道的复杂流路,建立流体网络计算模型.对原型结构吸力面一侧叶顶新增一排气膜孔,并对前部和后部蛇形通道的两组相邻通道间新增连接起平衡作用的贯通孔各3个.改型设计和原型都用开发的管道网络程序计算流动和换热参数.结果显示:在入口冷气边界条件相同条件下,相对原型,改型设计最高温度和平均温度都有10K以上的降低,叶片吸力面局部高温区集中的状况改有所善.改型设计效果在CFX全三维模拟中亦得到证实.      

不同压比下冷却剂流量对塞锥再生冷却换热的影响

为了解塞式喷管发动机高低空不同的再生冷却换热特性,分别对二维型面内喷管和塞锥建立计算模型,采用数值模拟的方法,得出内喷管的冷却换热结果和出口参数,重点研究了塞锥在地面和设计点工作时的不同换热特性及其冷却剂流量的影响.计算过程中采用二阶迎风格式离散控制方程.计算结果表明:地面工况下,冷却剂流量的改变对塞锥和塞锥底部壁面的压强、热流密度和温度的影响较大,高空环境下,冷却剂流量的改变对塞锥和塞锥底部壁面的压强、热流密度的影响较小;在冷却剂流量相同的情况下,塞锥和塞锥底部在地面工况下的壁面温度要远高于在高空环境下的温度;在相同工况和相同冷却剂流量的情况下,塞锥壁面上的温度要远高于塞锥底部壁面上的温度.     

轴对称喷管与圆转方喷管冷却换热特性的比较

为了解和比较轴对称喷管与圆转方喷管不同的再生冷却换热特性,分别对轴对称喷管(推力室)与圆转方喷管(推力室)建立计算模型,通过数值模拟的方法重点研究和比较了轴对称喷管与圆转方喷管的流场、壁面热流密度和温度分布、冷却剂温升和冷却通道压降等换热特性.计算结果表明:圆转方喷管由于型面不连续,在转方位置后壁面出现了温度和热流密度的峰值,从而导致沿周向壁面温度和热流密度的分布也不均匀.      

气膜出流条件下回转通道流动特性的实验研究

采用实验方法研究气膜出流条件下带肋回转通道流动特性,其中回转通道为带90°直肋变截面通道。根据研究问题的特点,利用单元分析方法,定义了壁面有效压力及单元有效压力系数。结果表明:通道出口段存在气膜出流与无气膜出流情况相比出口段有效压力分布发生变化,并且使整个通道的流阻下降。影响流动的主要因素是通道的阻塞比、长径比、宽高比、气膜出流比和进口雷诺数。     

基于程序集成及响应面模型的电机冷却性能优化

建立某60 kW电动汽车用永磁同步电机模型,理论分析得到最佳流道条数以及流道参数取值范围。以冷却流道宽度a、高度b作为设计变量,电机温升和流道进出口压差作为目标函数,通过Isight集成网格变形软件Sculptor和CFD计算软件Fluent,应用拉丁超立方设计方法创建样本点,并进行数据的自动提交仿真计算。根据得到的数据建立响应面模型,采用多岛遗传算法对近似模型寻优。优化后,电机温升和进出口压差分别下降了6.01%、6.81%,电机的性能和安全运行得到了保障。