翅片-管复合式减涡器温降及流阻特性数值模拟

为了探索翅片-管复合式减涡器盘腔内径向内流总压损失及温降特性的分布规律,对简单盘腔、管式减涡器、翅片-管复 合式减涡器3种模型在不同转速、不同工况下的流场结构、总压损失分布规律及温降系数进行了数值模拟。结果表明：翅片-管复 合式减涡器能明显减小盘腔内的旋流比,提高气流径向引气效果,从而提高引气品质,其温降效果和减阻性能均优于管式减涡器 和简单盘腔的。管式减涡器与简单盘腔相比,其温降效果提高约54.3%,减阻效果提高约64%;翅片-管复合式减涡器与管式减涡 器相比,其温降效果提高约3%,减阻效果提高约40%。翅片-管复合式减涡器的整体性能最优,具有较高的工程应用价值,其研究 结果对压气机二次空气系统设计具有一定的指导意义。     

翅片安装高度对共转盘腔减阻特性影响的数值研究

为了探索翅片安装高度变化对共转盘腔径向内流总压损失的影响规律,对不同转速、翅片径向安装高度下的去旋系统展开了数值研究,得到了不同工况下径向内流共转盘腔的流场结构及总压损失分布曲线。研究结果表明:翅片安装高度能够影响盘腔内部旋流比分布情况,翅片吸力面流体的旋流比大于压力面侧;随着翅片安装高度的升高,减涡器的总压损失先减小后增大;在所研究工况及结构参数下,翅片下端径向高度与盘腔高度比值为0.476时减涡器的减阻效果最好,压力损失系数降低16%左右;在一定条件下,翅片式减涡器总压损失主要集中在翅片所在盘腔分区;翅片上端和下端盘腔分区总压损失对减阻性能的影响起决定性作用,且上端的影响大于下端的影响。     

入口旋流对旋转篦齿封严特性的影响研究

旋转因素对篦齿的封严特性具有重要的影响,数值研究了具有不同旋流比的入口气流对旋转直篦齿泄漏特性和风阻特性的影响。通过与试验数据对比,进行了湍流模型的选取和验证。在不同压比工况下,获得了不同入口气流旋流比对篦齿的泄漏特性、出口旋流和风阻温升的影响。结果表明:入口旋流比对泄漏系数影响较大,旋流比增加泄漏系数降低;不同入口旋流比对出口旋流的影响不同,甚至影响趋势相反;不同入口旋流条件下,风阻温升均随压比增大而减小;当压比大于1.3时,入口旋流比越大,风阻温升越小;当压比小于1.3时,风阻温升随入口旋流比增大而增高。最后,引入"有效总压"参数,它能够更准确指导分析入口旋流对篦齿泄漏流量影响。     

翅片位置对复合式减涡器减阻性能影响数值模拟

为了探索翅片-管复合式减涡器的翅片安装位置对共转盘腔径向内流压力损失的影响规律,对不同转速、翅片周向位置及安装角度下的去旋系统开展了数值研究,得到了不同工况下共转盘腔径向内流的流场结构及压力损失分布曲线。研究结果表明:减涡管能引导流体径向流入,并降低流体的旋流比;相比于管式减涡器,翅片-管复合式减涡器能明显降低盘腔内的总压损失;在不同旋转雷诺数下,翅片的周向安装位置α及安装角β均存在最佳值;在中、高旋转雷诺数下,最佳值分别为α=9°,β=30°,最佳结构下总压损失较基础模型低40%左右;改变翅片周向位置及安装角度可以明显改变气流进入减涡管的角度,在较优情况下,可以减小流体流入减涡管的阻力及在减涡管内的流动阻力,整体上减小了盘腔内总压损失。     

反旋进气混合式减涡结构流动特性数值计算

提出了一种将反旋进气孔与减涡管相结合的混合式减涡器,数值研究了其减阻引气效果,分析了旋转雷诺数、无量纲入口质量流量对内部流场结构和压力损失的影响。研究发现:在混合式减涡器引气结构中,静压沿径向平缓降低,在周向分布均匀;随着无量纲入口质量流量或旋转雷诺数的增加,引气结构总压降呈现单调上升的趋势,其中在高旋转雷诺数、低无量纲质量流量工况下具有突出的减阻性能,其对应的湍流参数为0.106 4~0.324 5。相比于简单盘腔,反旋进气孔式及管式减涡器的压力损失分别降低62.5%、60.5%,混合式减涡器可降低80.4%,体现出良好的减阻引气效果。      

反旋喷嘴进气旋转盘腔压力损失特性

针对旋转盘腔的压力损失问题,利用反旋喷嘴改变进入旋转盘腔的气流的切向速度,减少旋转腔内涡的生成,从而减小气体流经旋转盘腔的压力损失.通过实验的方法测得反旋进气条件下的流阻特性,应用k-ω SST模型模拟了不同工况下腔内的流场.研究表明:旋转盘腔内的压降由湍流参数和掺混后旋流系数共同控制.喷嘴自身压降所占比例为极大值时,腔内无大涡出现,而在非极值点的工况下,腔内均为对涡的流动结构.      

管式减涡器压力损失特性数值研究

数值研究不同的减涡管长度、鼓筒孔周向位置及鼓筒孔结构对管式减涡器系统减阻性能的影响。结果表明,特定工况下存在最优管长使得系统进出口总压比最小,不同管长减涡管系统的主要压力损失来自于不同部分。其中,减涡管较短时压力损失主要来自于减涡管入口处,减涡管较长时压力损失来自于管内摩擦损失。鼓筒孔周向位置对盘腔内气流流动特性的影响较小,对总压比的影响可以忽略。鼓筒孔结构对减阻效果的影响较大。在所研究的三种鼓筒孔结构中,鼓筒孔开孔在周向上越长其总压比越小,鼓筒孔变为贯通缝时最优管长减小。     

叶片式旋流畸变发生器数值模拟研究

为研究旋流畸变对压气机性能和稳定性的影响,设计了一套叶片式旋流畸变发生器,使用不同弯角的叶片以改变旋流畸变的结构和强度。采用CFD数值模拟方法对旋流畸变发生器的特性和详细流场进行了研究,结果表明,叶片式旋流畸变发生器具有对涡和整体涡均可形成、总压恢复系数高、旋流强度调节方便的优点,旋流切向气流角最大可达25.1°;随着流量减小,对涡和整体涡的总压恢复系数增加,旋流强度先保持不变,在降至一定的流量值后急剧上升。在压气机进口截面,对涡强度近端壁区域最大,叶中区域最小。整体涡偏心时,压气机进口的旋流方向并不完全一致,在叶根局部区域会形成反向旋流。     

导流板式减涡器总压损失特性数值模拟

通过数值模拟的方法研究了不同形状的导流板式减涡器对总压损失特性的影响。结果表明,总压的损失主要由气体在减涡器中对导流板做功引起的平缓下降以及由于切向速度过大在转折处引起的迅速下降两部分组成。当导流板较长时,损失主要由气流对导流板做功导致,导流板较短时损失则主要由转折处突降导致。因此,应在起到限制切向速度以降低转折处的突降的同时,尽可能减少气流对导流板的做功。系统总压损失随导流板数量的增多和出口位置的提高呈现先减少后增大的趋势,导流板形状也会对总压损失造成影响。      

涡流发生器控制喷水推进器进水管流动分离的数值研究

为抑制某型喷水推进平入口进水管低进速比下管内流动分离,提升喷射泵来流的品质,应用涡流发生器（VG）流动控制技术,在进水管内部以及入口前的船底加装涡流发生器。采用雷诺时均模型和SST-kω湍流模型数值模拟进水管内流场,从流动分离、涡系分布和整体性能等方面分析了不同位置VG对进水管流场特性的影响,揭示了VG抑制进水管流动分离的控制机理。结果表明,VG产生流向涡驱动主流与斜坡侧边界层低能流体进行动量交换,增加边界层内的流向动量,从而抑制进水管斜坡侧的流动分离。流向涡在分离区内会发生方向偏移导致进水管内流场不对称。VG在进水管内产生的流向涡强度以及自身附加损失都会影响其控制效果。通过优选VG安装位置,进水管出口的不均匀度系数从0.406下降至0.318,旋流度从3.23°下降至2.14°,出口总压畸变减小,整体效率得到有效提升。     

反旋进气盘腔内流动与换热的数值模拟

应用RNGk-ε湍流模型对围屏上带反旋喷嘴的径向内流旋转涡轮盘腔内的流动与换热进行了数值模拟,揭示了盘腔内的压力损失及冷气流量、旋转雷诺数、湍流参数等因素对盘腔内流动换热的影响.计算结果表明:盘腔内的流动结构主要由湍流参数决定;在某一旋转雷诺数下盘腔内压力损失随冷气流量的增大而呈现S型变化;反旋喷嘴的应用能有效地降低盘腔内的压力损失;转盘附近的努赛尔数随冷气流量及旋转雷诺数的增大而增大.      

喷嘴内湍流运动对火焰浮起长度影响的数值模拟

为考虑喷嘴内部湍流运动对燃油雾化和火焰浮起长度的影响,将喷嘴内部的湍流流动以权重的形式加入初次破碎模型中,并对二次破碎模型进行了修正。建立了完整的燃油雾化和燃烧的数学模型。通过与实验数据对比来验证燃油雾化模型的准确性,并讨论了喷嘴内湍流运动对燃油雾化过程的影响。结果表明,湍流运动会加快液滴破碎和蒸发的速率,从而减小燃油蒸气贯穿距。火焰浮起长度的计算采用本文建立的燃油雾化模型,成功计算了火焰浮起长度随氧气体积分数、气体密度、气体温度和入射压力变化的规律。同时发现在不同气体密度和氧气体积分数的工况下,喷嘴内部湍流运动对火焰浮起长度的影响基本保持不变,分别为9%和13%;入射压力和气体温度的升高会导致喷嘴内部湍流对火焰浮起长度的影响逐渐变大。      

不可压缩湍流的色散模型

分析了广泛存在于湍流运动中的能量逆转现象,揭示了其产生的原因,提出了湍流的色散性质.在此基础上,修改了Boussinesq假设,建立了包含色散效应的新的雷诺应力封闭式和湍流色散系数,给出与不同模型相结合时,湍流色散系数所具有的不同形式,并阐述了湍流运动中能量的传递方向及条件.采用不可压缩平板边界层流动和平面后台阶流动验证了其可信性和优越性.平板摩擦阻力系数及边界层速度型与实验结果吻合良好,平面后台阶流动的流向再附长度、台阶边压力系数及湍流强度等参数均比标准k-ε模型更接近实验结果.结果表明:色散项的加入可以在不显著增加计算量的同时显著改善预测精度,模型具有一定的工程应用价值.      

一种双S弯非常规进气道地面工作状态的试验

对一种双S弯非常规进气道进行了地面工作状态下的试验研究,得到了该类进气道的地面工作特性,结果表明:(1)双S弯非常规进气道在地面工作状态下,随着出口马赫数的增加,总压恢复系数呈下降趋势;稳态周向畸变指数、紊流度和综合畸变指数均上升;稳态径向畸变指数变化不大.(2)与飞行状态下的高速风洞流场控制试验研究结果相比,在相同的出口马赫数下,地面抽吸试验中进气道出口截面的总压恢复系数较低,稳态周向畸变指数、紊流度和综合畸变指数较大,本研究的双S弯非常规进气道在出口马赫数Mae=0.45时,总压恢复系数为0.90,稳态周向畸变指数达到了9.24%,紊流度为4.6%,综合畸变指数为13.85%,畸变比较大,超出了一般发动机的承受范围.(3)在地面抽吸状态下,进气道出口马赫数Mae≤0.37时,综合畸变指数W≤10%,说明发动机可在适当的降转速下稳定工作,随着飞机在地面滑行速度的增加,满足发动机稳定工作要求的进气道最大出口马赫数不断增加.     

一种腹下S弯进气道低速大攻角下气动特性实验

对一种腹下S弯进气道进行了实验研究,得到了低速大攻角下的气动特性,结果表明:随出口马赫数的增加,腹下S弯进气道出口截面的总压恢复系数不断下降,稳态周向畸变指数、紊流度和综合畸变指数均上升;出口马赫数为0.45时,进气道出口总压信号的功率谱在220Hz处存在峰值,内通道发生了局部流动分离;与地面抽吸状态相比,该进气道在低速大攻角状态下具有较高的总压恢复系数,虽综合畸变指数也偏大,但能够满足发动机正常工作的要求.      

二维空腔超声速流动特性及形状影响数值研究

内埋式武器装载是实现战斗机隐身、超声速巡航和高机动性能的综合选择,已逐步成为新型战斗机武器装载的发展趋势。采用雷诺平均N-S方程和S-A湍流模型,模拟了矩形空腔和非矩形空腔的流动特性。通过分析空腔的流线图、压力云图和底部压力分布曲线,可知长深比是影响空腔流动类型和流动特性的关键因素,改变空腔后壁倾角、底面斜坡角度和前壁倾角对回流区结构及压力分布特性有明显影响。     

带盖盘45°预旋系统流动特性的实验

对带盖盘45°预旋系统的预旋腔和转静腔内流动特性进行了实验研究，得到了高转速下静盘表面的静压分布、中心面（z/S=0.326）总压分布、流阻系数以及预旋孔排气系数的变化规律。结果表明:流量分配对腔内压力分布影响较小；湍流参数是腔内流动特性的主要影响参数之一；腔内流动结构主要分为转静腔的自由涡结构以及预旋腔的回流区和低压区；流阻系数随湍流参数变大而显著上升；预旋孔排气系数随着进、出口压比增加而增加。      

高湍流度畸变流场的模拟

应用“双板结构”模拟板成功地模拟了高湍流度畸变流场。模拟结果表明:板间距离增加将使板后流场平均总压恢复系数下降;第二块板有改变稳态畸变值和调整畸变图谱的作用。由此得到“双板结构”模拟板模拟高湍流度畸变流场的设计原则:第~块板应以宽板为主,以产生高湍流度畸变流场;第二块板起调整图谱,改变畸变值的作用。实验还表明“双板结构”模拟板畸变特性随Ma数的变化与“单板结构”明显不同。     

某涡轮导向叶片换热实验与计算

针对某涡轮导向叶片,实验测量了光滑叶片表面的压力系数和速比系数,并使用瞬态液晶测量技术获得了叶片全表面传热系数分布.分别使用shear stress transport（SST）,k-ω,k-ε和renormalization group（RNG）k-ε四种湍流模型模拟了相同结构尺寸的叶栅通道内的流动与换热,并与实验结果进行对比.结果表明:压力面压力系数沿弧长方向逐渐下降,吸力面上压力系数先快速下降达到最小值后缓慢上升（出现逆压梯度）.叶栅通道和叶片表面附近气流流动结构的复杂性导致叶片表面传热系数分布较为复杂.4种湍流模型对压力系数和速比系数的计算结果相互差别不大,计算数据也比较接近实验值.关于叶片表面传热系数,SST模型计算结果分布规律与实验接近,而其他3种湍流模型都没有能模拟出吸力面边界层分离对换热的影响.      

磁控等离子体对收敛喷管性能的影响

采用诱导磁场方程,Mixture混合两相流和磁场修正的湍流两方程模型,研究施加不同强度磁场时,收敛喷管内等离子体的流动和传热特性以及等离子体对尾喷流的包裹情况.结果表明,随着气流在收敛喷管内加速,等离子体被掺混的程度增加.增强磁场可提高近壁面处等离子体体积分数,抑制其湍流度,降低高温气体向喷管壁面的传热.当B_y=1.3T时,磁控等离子体可降低54.4%的壁面温升,增加0.74%的喷管推力系数,在出口4倍当量直径处对尾气仍有一定的包裹.