一种一体化加力燃烧室的数值模拟

为适应新一代航空发动机高推质比的设计要求,设计出一种一体化加力燃烧室方案,利用截尾支板与带凹腔的分流环组合结构取代了传统火焰稳定器。对该方案进行了数值模拟研究及试验验证,结果表明:在该一体化加力燃烧室内涵中有3个低速回流区;截尾支板结构不仅起整流支板的作用,还能够起到火焰稳定器的作用;燃烧效率在90%～93%之间,流阻系数约为0.26;在所研究的工况下总压恢复系数均高于0.975,且主要的总压损失集中在截尾支板及分流环凹腔处。      

径向冷却通道长度对气冷稳定器气动热力性能的影响

为了获得冷态下径向冷却通道长度对新型跨流式气冷稳定器气动热力性能的影响,基于Navier-Stokes方程,对在额定工况下5组不同径向冷却通道长度的该气冷稳定器模型进行了三维流固耦合传热数值模拟研究,得到了气冷稳定器外部流场、径向稳定器外壁面的冷却效率、加力燃烧室热混合效率和总压恢复系数的变化规律。在研究的参数范围内,结果表明:径向冷却通道长度的增加,首先,加强了气冷稳定器后的湍流掺混,使得回流区内湍动能极大值增加了24.3%;其次,会减弱径向稳定器近中心锥处的外壁面冷却效果,导致径向稳定器迎风侧外壁面平均冷却效率降低了14.4%;随着径向冷却通道长度的增加,加力燃烧室沿程热混合效率分布曲线随之向上移动;加力燃烧室沿程总压恢复系数分布曲线随之向下移动,加力燃烧室出口总压恢复系数下降了0.23%。     

气冷径向稳定器张角对混合扩压器性能影响

针对一种混合扩压器和气冷径向稳定器一体化新型结构,基于N-S方程建立了流场三维数值计算模型,研究了气冷径向稳定器张角变化对混合扩压器流场、流阻特性和混合特性的影响规律.结果表明:随着气冷径向稳定器张角的增大,混合扩压器的静压恢复系数逐渐减小,混合扩压器的流阻系数和压力损失系数均逐渐增大；在混合扩压器出口截面处,随着气冷径向稳定器张角的增大,总压恢复系数逐渐减小,总压恢复系数的最大值与最小值相差0.0032.热混合效率逐渐增大,热混合效率的整体变化范围为0.7268~0.8857.      

气冷环向稳定器张角对混合扩压器性能影响

为了研究气冷环向稳定器张角对混合扩压器性能的影响规律,针对一种混合扩压器和气冷稳定器一体化新型结构,基于N-S方程建立了流场三维数值计算模型,采用数值模拟研究了气冷环向稳定器张角对混合扩压器流场、热混合效率和流动损失的影响规律。结果表明:在气冷稳定器的诱导作用下,外涵冷空气大量入侵内涵高温燃气,使内外涵流体之间进行强力掺混,大大提高了外涵冷空气温度;随着气冷环向稳定器张角的增大,稳定器堵塞比增大,流动损失增大,总压恢复系数减小;14°张角模型的混合扩压器总压恢复系数最大,其值为0.992,比最小值大0.002;此外,热混合效率随气冷环向稳定器张角的增加变化较小,加力燃烧室出口热混合效率最大值与最小值仅相差1.6%。     

几何尺寸对高超声速进气道气动性能的影响

为了探索模型缩尺比对高超声速进气道气动性能的影响,对不同缩尺比的二元高超声速进气道开展了数值模拟研究,结果表明：随着缩尺比的增大,进气道流量系数、隔离段出口总压恢复系数和马赫数均逐渐增大,而静压比逐渐减小,且来流马赫数越高,上述参数变化幅度越大。由理论与数值模拟分析可知,上述现象主要是由于不同缩尺比下,进气道当地雷诺数不同,导致进气道附面层相对厚度变化,进而影响进气道气动性能。理论分析了进气道总压恢复系数与缩尺比的定量关系,就进气道而言,进气道进口处附面层相对厚度减小1%,隔离段出口总压恢复系数提高约0.7%。     

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。      

高超声速飞行器进气道等离子体虚拟前沿优化设计

为研究等离子体虚拟前沿在高超声速飞行器前体/发动机一体化设计中的应用,首先设计了二波系前体,然后分析了虚拟前沿对前体流场结构的影响,最后通过比较虚拟前沿结构参数及位置对总压恢复系数、流量系数等参数的改善效果,优化得出了最佳虚拟前沿。结果表明,有虚拟前沿控制前体激波时,总压恢复系数及流量系数都会增大,但压缩比不一定会增大;虚拟前沿的位置对各参数的影响很大,且存在一个最佳位置使得前体性能最好;随着虚拟前沿长度的增大,总压恢复系数和流量系数逐渐增大,压缩比逐渐减小。     

相对厚度对低雷诺数流动中翼型动态气动力特性的影响

以固定翼微型飞行器为研究背景,研究了相对厚度对低雷诺数流动中翼型动态气动力特性的影响规律.采用Roe迎风差分格式和双时间步迭代方法,数值求解拟压缩性修正不可压Navier-Stokes方程,给出了数值算法与实验数据的对比验证.以翼型弦长为特征长度,在Re=500～50,000情况下,选取不同最大相对厚度和不同最大相对厚度位置的翼型,计算了其等速上仰时的动态气动力,结果表明前者对气动力影响显著,较小最大相对厚度值可获得较大的动态升阻比.     

燃气轮机间冷器结构改进试验研究

为了分析间冷器翅片高度、翅片厚度、隔板厚度等结构参数对换热性能的影响,根据船用间冷循环燃气轮机长期工作在海洋环境的性能要求及结构特点,初步设计了机上间冷器,并对其进行了试验验证。根据前期验证结果,对间冷器结构进行了迭代改进。结果表明:在一定范围内,翅片高度增加导致换热效率降低和总压恢复系数增大;翅片厚度增加,导致换热效率提高和总压恢复系数减小;隔板厚度增加导致换热效率降低。     

双轴向旋流器设计参数对燃烧特性的影响研究

为了保证高温升、高热负荷的燃烧室头部的空气流量,使头部区域具有足够强的回流区和良好的气动雾化性能,进行了双轴向旋流器设计参数对燃烧特性的影响研究。设计了5种方案10种双轴向旋流器,通过数值模拟的方法得到了双轴向旋流器不同设计参数对其匹配结构燃烧室的流动、压力损失、燃烧和效率特性的影响规律:保证总面积不变,随着主、副旋流器叶片角和旋流数的增大,主燃区中心线处的平均温度逐渐降低,总压恢复系数和燃烧效率基本不变;回流区随主旋流器2种参数的增大基本不变,但随副旋流器2种参数的增大而相应变大;随着面积比的增大,回流区相应变小,主燃区中心线处的平均温度逐渐升高,总压恢复系数和燃烧效率基本不变。     

喷油杆与凹腔支板稳定器近距匹配雾化特性

以水和煤油为雾化介质,采用马尔文激光粒度仪研究了来流马赫数为0.16~0.24、喷雾压差为0.30~0.90MPa、喷油杆与凹腔支板稳定器间隔为31.5mm且顺喷时液雾在轴向不同位置处的雾化特性.研究结果表明:液滴索太尔平均直径(SMD)随来流马赫数增大而减小,随喷雾压差升高而减小,但凹腔支板稳定器下游远方截面的液滴SMD在主流区对马赫数不敏感,在回流区对喷雾压差不敏感.此外,喷油杆下游液滴SMD沿轴向逐渐减小,沿径向在主流区逐渐增大,在回流区逐渐减小.      

Mini-TED跨声速气动特性及其增升机理

通过求解二维可压Navier-Stokes方程,研究了NACA0012翼型加装微型后缘增升装置（mini-TED）后的跨声速流场特性,与Gurney flap （GF）对比分析了几何参数对mini-TED后方涡系及翼型气动特性的影响.将mini-TED的几何细节参数定义为弦向长度和有效高度,两者方向正交.在相同迎角下仅改变mini-TED的弦向长度,后缘涡系结构虽发生变化,但翼型气动力几乎没有影响;反之仅改变有效高度则后缘涡系和翼型气动力系数同时发生明显改变,且与同等高度下的GF气动系数相近.结果表明：有效高度是影响翼型气动特性的决定因素.有效高度改变了mini-TED后涡系的发生范围,而相对于整个翼型绕流,后缘涡系的大小是影响翼型流场最重要的因素,而涡系的微观结构和形态的改变影响相对很小.加装mini-TED后上表面激波位置后移、下表面激波强度削弱,从而翼型表面压力分布特性发生了改变.随有效高度增大,mini-TED诱导的涡系发生区域随之增大,引流作用增强,翼型升力系数、阻力系数和低头力矩系数提高,同时相同迎角下翼型的升阻比明显提高.     

超临界翼型尾缘噪声影响因素研究

使用大涡模拟(LES)和FW-H相结合的方法对超临界翼型尾缘噪声进行了研究。针对超临界翼型后缘的不同设计参数(后缘厚度、后缘角和几何形状)对尾缘噪声的影响,使用ANSYS FLUENT的LES湍流模型计算声源,采用FW-H积分方法求解远场噪声总声压级。首先完成二维非定常流圆柱绕流的流场及其噪声的验证计算,计算结果与实验值符合,证明了求解器设置和网格生成的合理性。然后基于此正确的求解器设置和网格生成,使用LES/FWH对比了典型超临界翼型的不同后缘设计参数对远场总声压级的影响,所得结论对低噪声超临界翼型优化设计有参考意义,同时为进一步的噪声控制优化设计提供了基础。     

尾缘厚度对低压涡轮气动性能影响的数值模拟

采用数值模拟的方法研究了尾缘厚度对Pak-B低压涡轮气动性能的影响.目的是通过增加尾缘厚度来控制边界层分离,降低损失,揭示增加尾缘厚度的流动控制机理.研究发现:适当增加尾缘厚度能减小低压涡轮损失,增大折转角.在雷诺数为25000,来流湍流度为1%时,适当增加尾缘厚度能使基于进口速度的能量损失系数降低10.4%,折转角增加1.73%.适当增加尾缘厚度和栅距同样可以使基于进口速度的能量损失系数减小,折转角增大.在雷诺数为25000,来流湍流度为1%时,尾缘厚度增加到4%s,栅距增加了2.2%,可以使基于进口速度的能量损失系数减小7.4%,折转角增加1.25%.通过增加尾缘厚度可以发展低稠度高负荷低压涡轮叶栅.      

火焰稳定器相对参数对水冲压发动机燃烧及其内流场的影响

在水冲压发动机燃烧室中设置钝体火焰稳定器,可使部分已燃高温燃烧产物在火焰稳定器后部的回流区内不断点燃新鲜的可燃混合物,从而实现稳定高效燃烧。通过改变火焰稳定器相对金属燃料入口高度及相对一次进水位置,对比分析了相对入口高度和相对一次进水位置两种不同相对参数对于燃烧室内掺混、燃烧以及火焰稳定效果的影响。结果表明:当相对高度$H>\mathrm{1}$时,燃烧火焰无法稳定在回流区。当火焰稳定器相对位置不变时,在一定范围内,随着相对高度$H$减小,火焰稳定效果增加,且存在较优的相对高度($H=\mathrm{1}$)使燃烧室内的掺混效率和火焰稳定效果较好。当保持相对高度$H=\mathrm{1}$不变的情况下,综合考虑火焰稳定效果、铝/水掺混效率以及发动机工作性能,$L=\mathrm{0.5}$是较为理想的火焰稳定器相对位置。      

气体燃料气动火焰稳定器混合特性的初步研究

为了克服航空发动机加力燃烧室传统钝体火焰稳定器存在的流阻较大、燃烧效率较低和红外辐射偏大的缺点，设计了一种气体燃料气动火焰稳定器，通过喷射气体燃料射流形成气动屏障来产生回流区从而稳定火焰，并采用数值模拟计算和实验测试的方法研究了气体燃料火焰稳定器的混合特性。数值模拟计算表明气动火焰稳定器掺混速度快，可在回流区内形成余气系数比较均匀的混合物,且回流区内余气系数分布随来流和射流的参数变化基本保持恒定不变，实验结果证实了数值模拟的结果，并表明采用气动火焰稳定器的燃烧效率较高，部分工况可达98%以上，可为加力燃烧室火焰稳定器的研究和设计提供参考和依据。     

典型特征参数对大转折APU进气道飞行性能影响的数值研究

为了给一种迎风开门式的辅助动力系统（APU）进气系统设计提供参考,采用基于后缘线轮廓及面积变化规律的参数化设计方法,通过对唇边顺滑修型,可以与唇口的锯齿前缘配合形成斜向下的进口段,利用数值模拟研究了进口形状、前缘面曲率和喉道位置这三个特征参数对此类大转折APU进气道性能的影响。计算结果表明：APU进气道损失主要来自于分离损失,进口形状主要影响导流面转折程度和进气道内压力梯度变化,前缘面曲率影响了分离区的尺度和强度,其中,前缘面曲率对出口气动性能影响较大,在设计状态下,适当增大前缘面曲率可使得出口总压恢复系数增大0.81%。在后缘面曲率不变的情况下,通过合理安排进口形状、前缘面曲率和喉道位置,可有效推迟分离的发生,减弱分离区强度。另外,在正攻角和侧滑状态下也表现出相同的趋势。     

等离子体热效应对NACA0012翼型增升减阻的研究

基于等离子体热效应机理,在来流速度为34m/s和攻角0～12°内,对NACA0012翼型在等离子体激励下的流场特性进行数值模拟。通过研究等离子体激励的位置和数量对翼型的升阻力特性的影响,得出翼型增升减阻的最佳位置和数量。为保证计算模型的准确性,将未激励的翼型流场参数与NASA实验数据进行对比验证。结果表明:未激励翼型的流场计算参数与实验结果吻合度较高;在等离子体单激励下,最佳减阻位置位于翼型下表面的前缘,最佳增升位置位于翼型下表面的后缘,且二者受攻角的影响较大;在翼型下表面的前缘和后缘同时施加激励时,翼型的减阻比约为20%,最大增升比为52%。     

褶皱位置对蜻蜓滑翔翼气动性能的影响

改变昆虫翅膀的褶皱结构可以优化翼型的气动性能,有利于微型飞行器的气动设计。以蜻蜓翼作为参考,采用计算流体力学（CFD）的方法计算了攻角范围为0°~20°,雷诺数范围为700~2300时褶皱位于前缘、尾缘和中部位置时三种翼型的滑翔气动性能。结果表明:在不同攻角和雷诺数下,褶皱位于尾缘的翼型具有最大的升力系数和升阻比,滑翔气动性能最优;当雷诺数为1500,攻角为10°时,褶皱位于尾缘的翼型时均升力系数分别比位于前缘和中部的翼型提高了58%和82%,升阻比分别提高了49%和33%;这是由于尾缘褶皱中的涡起到了延缓前缘涡脱落的作用,使前缘涡更为集中,更贴近壁面。