轴承腔壁面液膜厚度数值模拟与实验测量

通过轴承腔壁面油膜厚度的实验测量以及数值模拟,对建立轴承腔壁换热模型、完善轴承腔热分析具有重要意义。通过轴承腔壁油膜流动进行量纲分析,提出了轴承腔表面的二维计算模型,并完成了对试验件的数值模拟。采用超声测量系统对轴承腔两个不同点处进行了油膜厚度测量,得到轴承腔油膜厚度随转速以及滑油流量的变化关系。将数值模拟结果与实验值进行对比表明:在计算工况条件下,测量点处最大误差小于8%,满足工程实践要求。     

发汗冷却喷管多孔壁面的分段设计分析

对于采用烧结多孔结构作为发汗冷却壁面的喷管,为最大限度的减少冷却剂流量,提出了对多孔介质壁面沿轴向进行分段的发汗冷却结构.通过采用Fluent软件对分4段结构的多孔壁面推力室发汗冷却进行数值模拟并且与不分段的发汗冷却喷管比较发现,分4段的结构在满足室壁温冷却要求的前提下可将冷却剂与主气流量百分比从28.3%降至12.6%,这表明烧结多孔结构分段设计是减少喷管发汗冷却剂流量的有效手段.      

航空发动机动态总压探针结构设计与优化

提出一种具有强化散热结构的短测管型总压探针方案，建立了总压探针的多物理场数值模拟模型，提出一种基于数值模拟和改进粒子群算法的总压探针结构联合优化方法，采用混合网格划分技术减少网格数量，以正态分布初始化粒子位置，同时增加种群学习因子和自适应邻域比例，提高算法的优化效率。数值仿真结果表明，数值模拟模型中网格顶点数量减少了47%，改进后优化算法迭代代数减少了37%，优化效率高，获得的总压探针结构满足温度约束，且长度短、质量轻。     

高温升三旋流燃烧室与双旋流燃烧室的性能对比

采用参数化建模的方法,保持扩压器尺寸、外机匣最大直径以及燃烧室出口尺寸与单环腔燃烧室(SAC)一致,将燃烧室头部旋流器从双旋流结构设计为三旋流结构,采用三维数值模拟的方法对双旋流燃烧室(DSC)和三旋流燃烧室(TSC)的流动和燃烧过程进行数值模拟.对比研究了两种燃烧室在高温升条件下的性能.结果表明:传统的DSC已不能满足油气比为0.037的高温升燃烧室的燃烧效率等性能需求,TSC可获得比DSC更高的总压恢复系数、燃烧效率以及温升,更低的出口温度分布系数(OTDF)和径向出口温度分布系数(RTDF);在油气比为0.037情况下,设计的高温升TSC总压降在5%以内;OTDF为0.162,RTDF为0.106;燃烧效率大于99%.      

高马赫数超燃冲压发动机性能数值研究

考虑水平起降要求,构造了一种采用流线追踪内转式进气道、圆形截面燃烧室的双侧布局高马赫数超燃冲压发动机,设计点马赫数为7。对Ma 7~10范围内的发动机性能进行了数值模拟,给出了发动机进气道性能、整机性能,对燃烧室内的燃料掺混和燃烧情况进行了分析。此外,采用一维性能计算方法对燃烧室性能进行了预估。研究表明,此发动机性能可满足飞行器推阻匹配需求;一维性能结果与三维数值模拟的压力分布处于15%的误差范围内,可用于发动机性能的快速预估。     

孔径比与冲击距对冲击/发散冷却隔热屏冷却性能影响

为了获得孔径比与冲击距对冲击/发散冷却层板隔热屏冷却性能的影响,采用商用软件Fluent,基于加力燃烧室隔热屏的工况条件,对7组不同孔径比和7组不同相对冲击距的冲击/发散层板模型进行了三维流固耦合传热数值模拟研究,得到了层板隔热屏内部被冲击表面的Nu数、层板隔热屏气膜冷却表面的冷却效果、层板隔热屏的冷气消耗和冷流体热负荷的变化规律,其对层板隔热屏的设计具有参考价值。结果表明,Nu数与冷却效果均随着孔径比的增大而增大,随着冲击距的增大而减小。其中随孔径比增大,平均冷却效果值最大增大40.5%,随冲击距增大,平均冷却效果值最大减小3.27%。     

取样探针流动参数对燃气组分误差影响的数值仿真

燃气组分精准取样是航空发动机燃烧室性能试验分析的关键因素。为了研究燃气取样探针在取样时带来的组分误差及其影响,在取样气体化学反应冻结的基础上,采用组分输运模型结合流固耦合传热的数值仿真方法,构建了3维探针多组分燃气流流动特性求解模型,分析了在不同余气系数下,由取样探针内部流动参数变化引起的燃气组分体积分数误差及其带来的燃烧效率误差影响。结果表明：探针流动参数变化会引起2%以上的相对取样误差。当余气系数为1.14时,CO₂相对取样误差为2.35%,CO相对取样误差为2.34%;当余气系数为2.06时,CO₂相对取样误差为2.04%。在低余气系数环境下取样时,燃气组分取样精度降低,取样误差对燃烧效率误差的影响超过0.1%;随着余气系数的提高,燃气组分取样精度提高,不完全燃烧产物减少,此时取样误差对燃烧效率误差影响可以忽略。     

超燃冲压发动机多凹腔燃烧室混合与燃烧性能定量分析

为从定量上研究超燃冲压发动机多凹腔燃烧室对增强混合、燃烧的影响,用大涡模拟方法和火焰面模型对燃料当量比为0.062的流场进行数值模拟。比较了不同多凹腔构型对混合效率、燃烧效率和总压损失的影响,并结合壁面压力分布、数值纹影解释了其原因。结果表明,凹腔串联、凹腔并联均能增强混合,混合效率最大可提高20.95%和9.52%;凹腔串联、凹腔并联均能增强燃烧,燃烧效率最大可提高14%和16.94%;燃烧时凹腔串联总压损失最小,但凹腔并联燃烧放热最快,对缩短燃烧室长度有利。     

径向稳定器冷却方式对壁温和流场影响的数值模拟

为探寻一种良好的径向稳定器冷却方式,采用数值模拟的方法比较并分析了冲击冷却、冲击-发散冷却及其发散孔倾角和发散孔开孔数目对径向稳定器冷却和径向稳定器后方流场的影响。结果表明:在设计冷却气量下,冲击冷却基本能满足使用要求;冲击-发散冷却的冷却效果要比冲击冷却的好,但该冷却方式对径向稳定器后方流场的影响较大;可通过适当减小发散孔倾角和发散孔开孔数目可有效削弱冲击-发散冷却对径向稳定器后方流场的影响。     

飞行器鼻锥凹腔-发散组合冷却数值模拟

尖锐鼻锥冷却方案是可复用式航天飞行器研究领域一个十分重要的课题。传统发散冷却虽然可以有效降低鼻锥结构温度,但是由于驻点外极高的热流、压力,会出现驻点冷却效果差的问题。迎风凹腔结构是一种针对鼻锥驻点区域的减阻防热方案,尖锐唇口的分流作用可以使附近压力、热流降低。因此,提出一种新型冷却结构——凹腔-发散组合冷却,利用迎风凹腔结构对驻点的强化冷却解决发散冷却中驻点难以冷却的问题。以楔形鼻锥为物理模型,对发散冷却、迎风凹腔结构和凹腔-发散冷却3种冷却结构进行数值模拟,并和无冷却的纯鼻锥结构进行对比。结果表明,与传统发散冷却相比,使用凹腔-发散组合冷却可以使结构温度峰值下降16.8%;与没有冷却的纯鼻锥模型相比,鼻锥头部圆弧段表面平均温度降幅可达64%,证实了这种新型冷却结构的可行性和高效性。     

涡轮叶栅端壁气膜冷却数值模拟

对前缘上游有双排气膜孔的涡轮叶栅端壁气膜冷却进行了气动和传热数值模拟。计算模拟了两排26个气膜孔,每个孔截面的网格数达到近200个,计算域包括了供气腔。计算得到了端壁气膜冷却的冷却效率分布并进行了冷气射流粒子示踪。计算揭示了端壁气膜冷却的流动与传热传质机理,并据此提出了端壁抛射气膜冷却的概念。结果表明数值计算可模拟气膜冷却的主要流动与传热特征,但在数值的准确性上还需要进一步的完善。     

基于控制分配的恒压腔压力精准控制

针对采用双阀调节的恒压腔系统压力在空气流量大范围变化时的精确控制问题,提出了一种基于控制分配的恒压腔压力精准控制方法。首先,建立了虚拟放气流量的双阀控制分配算法,包括：建立满足虚拟放气流量要求且调节阀能耗最小的优化问题;通过线性矩阵不等式(Linear Matrix Inequality, LMI)求解该优化问题得到双阀实际流通面积值;考虑调节阀动态并计算调节阀控制信号指令值。其次,建立以虚拟放气流量为恒压腔控制输入的闭环负反馈回路,基于此,设计满足伺服性能和抗干扰性能要求的PI控制器,引入上述双阀控制分配算法,进而构建完整的基于控制分配的恒压腔压力控制系统。仿真结果表明,采用该方法的控制系统性能明显优于传统单阀PI控制系统性能,恒压腔压力动态相对误差小于0.07%;干扰流量最大变化率为77kg/s2时,压力最大偏差低于500Pa;此外,调节阀动态时间常数和流量系数的拉偏仿真结果进一步验证了该控制器的鲁棒性。     

两个设计点的螺旋桨气动性能

结合某垂直起降无人机对螺旋桨的总体设计要求，分析了同时满足两个设计点的螺旋桨设计难点，完成了对所设计螺旋桨性能要求的验证，探究了两个设计点对螺旋桨设计性能的影响及影响因素，获得对设计的指导性结论.通过CFX软件进行悬停和巡航状态下的数值计算，并与其车载试验结果进行对比，结果表明:设计螺旋桨可满足设计要求，且数值模拟与车载试验结果基本吻合，误差不超过11%.将设计螺旋桨与单个设计点的旋翼或巡航螺旋桨进行对比，分析影响因素，发现两个设计点将会降低螺旋桨在每个单独设计点的工作性能，且通过减小起飞总质量和巡航速度、增加动力系统个数和功率来缩小设计点间差异可降低设计难度和性能损失.      

高压涡轮气冷叶片冷却掺混损失数值研究

为探索高压涡轮气冷叶片多排冷却孔出流对各排孔冷却掺混损失的影响,采用三维粘性流场数值模拟技术,对典型气冷叶片多排孔冷却射流流场和叶栅性能进行了研究,并将冷却掺混损失数值计算结果与Hartsel模型预测值进行了对比。研究结果表明:气冷叶片表面多排冷却孔射流相互作用对各排冷却射流与主流掺混引入的流动损失影响较小,各排射流冷却掺混损失相互独立具有简单的可叠加性质;叶片表面各区域冷却射流出流对叶栅性能影响程度有所不同,尾缘劈缝与吸力面冷却射流对叶栅性能影响较大,前缘区域次之,压力面冷却射流对叶栅性能影响较小;和数值计算结果相比,总压损失系数Hartsel冷却掺混损失模型预测值偏高,尤其对于尾缘和吸力面主流马赫数较大的区域,损失模型预测值为计算结果的2~4倍,而前缘和压力面预测值和计算结果符合性较好。     

涡轮叶片尾缘内冷通道旋流冷却特性

针对简化的叶片尾缘,设计了3种旋流冷却结构,即冷气分别从旋流腔中部射流孔、旋流腔异侧射流孔、旋流腔同侧射流孔进出旋流腔,并与常规凸台扰流柱冷却结构进行了对比数值研究,分析其强化换热机理和效果.结果表明:旋流腔的结构和冷气的进流布置对旋流冷却性能的影响很大,冷气从旋流腔某侧射流孔进出的旋流冷却结构不仅在流向截面产生涡旋,在展向截面也会产生涡旋,从而有效强化对流换热;相比凸台扰流柱冷却结构,旋流冷却结构能够增强换热,平均努塞尔数增大6.8%~22.9%,但流动阻力也随之增加;冷气从旋流腔异侧射流孔进出的冷却结构强化换热能力较高;而冷气从旋流腔同侧射流孔进出的冷却结构流动换热综合系数比凸台扰流柱提高4.2%,综合性能相对较优.      

旋转盘腔进气位置的敏感性分析

为保证涡轮盘满足适航规章的安全性要求,采用单向FSI(fluid structure interaction)数值方法,研究旋转盘腔无量纲进气位置的变化对冷却效果的影响,并依据旋转盘腔冷却问题的工程评价体系对冷却效果进行评价.结果表明:无量纲进气位置的改变使旋转腔的流动结构发生变化,从而影响盘面换热效果和转盘的温度分布,导致与温度梯度紧密相关的热应力水平也发生变化.随着无量纲进气位置的提升,旋转盘腔的流阻损失增大,转盘迎风面的平均换热效果减弱,转盘的应力水平和在低半径处的最大等效应力值均下降.无量纲进气位置的变化能够从部件承受能力和实际使用载荷两方面对涡轮盘的失效概率产生影响.因此,在涡轮盘腔的设计阶段,需要考虑无量纲进气位置对涡轮盘安全性的影响.      

气体取样分析在脉冲燃烧风洞试验中的应用

针对脉冲燃烧风洞试验条件及超燃冲压发动机燃烧室出口流场环境,设计了用于脉冲燃烧风洞流场氧气组分浓度校核及发动机燃烧室出口气流组分分析的探针取样-气相色谱分析测量系统,并在此基础上完成了对取样探针内部流场特性及燃气化学反应冻结情况分析.分析结果表明,进入探针的气流被有效冷却,能够实现化学反应冻结.利用风洞试验气流进行了系统校核,系统控制方面能够满足脉冲风洞试验测量要求,所得到的气流中氧气含量测量值与理论值吻合较好,偏差小于5%,甚至低至0.4%.利用该系统对马赫数2.6来流条件、直连式燃烧室模型燃烧工况下,出口不同位置处燃气中O2、N2和CO2等主要气体组分进行了直接测量,并进而估算了各测点处的表观燃烧效率,获得了其变化情况,所得到的结果在一定程度上反映了燃烧室中燃料的分布情况.     

小型探针在小尺寸压气机性能试验中的应用

根据某小尺寸压气机试验测试的需要,先后研制了两种（1、2探针）结构形式的总压、总温复合探针。分别介绍了两种探针的优缺点和校准结果,并对探针进行了数值模拟和出口流场测量,对比分析了两种探针测取的总压、总温及总性能间的差异。结果表明：两种探针均能满足小尺寸压气机出口流道堵塞比要求,有效地测取出口流场参数。     

基于高温热管的超燃燃烧室热防护结构

提出了基于先进热管理思想的燃烧室热防护结构.面板采用腔体式平板高温热管，实现面板等温化，降低局部高温区的温度；在热管腔体内部设计燃油冷却通道，实现对超燃燃烧室面板的燃油主动冷却.对其各项性能进行了数值分析，给出了设计参数对系统性能的影响规律，并完成了结构样件研制及石英灯试验考核.典型设计状态下，其单位面积质量为无氧铜面板的35.4%，高温合金面板的38.2%.石英灯局部加热条件下，面板最高温度为1123K时最大温差为80K.相比于传统燃油冷却方式，该型防热结构能够有效提高超燃发动机燃烧室热防护的整体性能，是超燃发动机热防护的一种重要概念.      

基于热管技术的飞机电作动机构散热特性

针对飞机电作动机构在工作过程中发热严重的情况,开展了相关散热技术研究。利用试验数据拟合出电作动机构产热量的经验关系式,提出基于热管-燃油系统的飞机电作动机构冷却方法,建立描述电作动机构散热系统流动与传热过程的数值模型,并验证了其可靠性。通过数值模拟研究不同因素对散热系统散热性能的影响规律,结果表明:数值模拟与试验误差在14.6%以内;与自然对流散热相比,热管-燃油散热方式可使电作动器温升降低12.61%,对于驱动器,风扇冷却效果优于热管-燃油散热方式;当热管等效导热系数达到7 000 W/(m·K),电作动机构已达到较好的散热状态,继续增大热管等效导热系数对提高散热系统散热性能效果不明显。研究可为电作动机构高效散热系统的设计提供参考。