发动机进气总压动态畸变流场测试及影响因素分析

扼要介绍了发动机进气总压畸变流场的动态测试分析方法,并利用所获得的大量试验数据计算了进口畸变流场的总压脉动强度及其在流场中的周向分布,开展了动态测量方法及数据处理中滤波截止频率、取样分析时间等因素对总压脉动强度影响的研究,用统计方法分析了进口畸变流场的特点,进而总结了进气总压畸变试验动态流场数据的一些处理、分析技术。     

进口畸变下非定常数值模拟进口边界数学模型

进口畸变下压气机内存在的不同空间和时间尺度的非定常流动之间的相互作用是进口畸变对压气机性能影响的重要流动机理.介绍了一种用于周向进口总压畸变下单转子通道内非定常数值模拟的进口边界简化模型,并基于该模型进行了三维非定常数值模拟.数值模拟结果显示了进口周向总压畸变的大尺度总压脉动和压气机转子通道非定常分离流场的相互作用过程.该模型为周向进口畸变的三维非定常数值模拟提出了一种简化方法.      

压气机进口档板动态畸变流场参数分析

对某型发动机压气机进口档板动态畸变流场数据进行了研究。分析了流场稳态总压、总压脉动强度和涡旋尺度随档板插入深度、压气机流量的变化规律,以及各动态参数之间的相对变化特点;初步探讨了涡旋尺度、总压脉动强度、综合畸变指数和压气机喘振裕度损失等性能参数变化的关系,获得了有价值的试验研究数据结果。     

进口动态总压流场对燃机稳定性裕度影响

为了得到某燃机发生喘振的原因,在燃机进口进行了动态流场测试,对流场中存在的较大涡旋尺度、较大瞬间动态压力畸变以及与进口涡壳共振产生的转速基频脉动等动态流场特点进行了详细研究,获得了进口动态总压流场特点.试验数据和资料分析表明:进口动态流场的特点使发动机稳定裕度损失加大,从而造成发动机喘振.      

变唇口型总压畸变流场的模拟技术

本文对变唇口型总压畸变流场模拟技术进行了试验研究。一方面总结分析了各种唇口几何参数对总压分布谱图和总压脉动紊流度的影响, 从而将这些一般的规律应用于特定总压分布谱图, 总压脉动紊流度及其畸变指数的模拟。另一方面, 对给定的二个不同类型的总压畸变流场进行模拟, 所模拟的稳态周向总压畸变指数, 平均总压脉动紊流度和最大瞬时畸变指数均能达到规定偏差的要求。      

低速轴流压气机进口总压畸变与旋转失速关联的实验研究

在低速三级轴流压气机实验台上自行设计了进口总压畸变发生装置, 构造了稳态和动态测量方案, 并对实验数据进行了详尽分析.着重研究了进口总压畸变对压气机特性及失速过程的影响.结果表明, 压气机失速点不仅与畸变强度有关, 而且与畸变方位也相互关联;适当进口总压畸变会诱发压气机在失速前产生大尺度扰动, 但没有对失速频率构成影响.      

湍流型动态畸变下涡喷发动机稳定性分析

对湍流型动态畸变进气流场进行了分析和描述，给出了随机涡在压气机进口所产生的总压脉动的通用分布曲线，并统计地分析和预测了该总压脉动引起的最可能最大失速裕度损失。数值分析表明在考虑压气机对非定常流响应方面，最为关心的压气机最大失速裕度损失值是脉动压力的均方根值、功率谱密度、压气机进口转子弦长和转速的函数。     

飞机快速俯仰机动下Bump进气道的动态特性研究

对两侧Bump进气道进行了动态特性风洞试验研究。研究表明：飞机做俯仰机动时,进气道相关性能参数随着时间作周期性变化;迎角a〉10°时,上仰过程中,进道总压恢复系数口、出口总压综合畸变w、出口总压周向畸变△σ0降低,下俯过程中则升高．且上仰过程中L述参数值明显小于下俯过程,一个俯仰周期形成一个闭合环路;进气道出口总压脉动平均紊流度Tu在整个过程中变化不大。     

燃油脉动对温度场影响的数值研究

为了研究燃油脉动对燃烧室温度场的影响,分别对燃油脉动在均匀进口、径向速度畸变进口和周向速度畸变进口中进行了瞬态模拟,分析了燃油脉动在不同进口速度流场中对燃烧室温度场的影响。结果表明:燃烧室出口温度参数随燃油脉动变化呈现出相似的变化规律,但这种响应具有一定的滞后性;燃油脉动造成主燃孔区域燃烧不合理,使得主燃孔截面温度品质降低,出口径向温度分布系数FRTDF产生波动;燃油脉动和进口速度畸变不仅改变了燃烧室出口温度在径向和周向的分布,而且会使在叶尖和叶根处存在高温区,降低涡轮强度;燃油脉动在径向畸变进口中的影响程度最大。     

多种形式插板的压气机进气总压畸变实验

为了弄清国军标GJB/Z 64A-2004(K)采用简单的单个弦月形插板作为进口总压畸变评定实验用的标准插板的缘由,在双级低速轴流压气机试验器上开展了4种不同形式插板的进气总压畸变实验验证研究,并详细比较了各插板的综合畸变指数特性.结果表明:单个弦月形插板作为进口总压畸变评定实验的标准插板,其结果是偏保守、严格的,动态畸变指数和稳态畸变指数在综合畸变指数中所占比例相当,并且插板实验能够产生足够大的动态畸变.      

压气机进气畸变数值模拟技术研究

发展了一种针对进气畸变条件下的风扇/压气机进行性能预估和稳定性分析的计算方法。首先研究了将叶片作用力简化为体积力源项的建模方法,在此基础上开发出一套基于体积力的三维进气畸变数值模拟程序,使用该程序对NASA Rotor 35在均匀进气、进口存在稳态总压畸变及同时存在总压和总温畸变的流场进行了模拟分析。结果表明,该程序获得的压气机特性及参数分布与雷诺平均Navier-Stokes(RANS)计算吻合得很好,同时正确地模拟出了压气机转子与上游畸变来流的耦合作用及其对压气机性能和稳定工作裕度的影响。     

变唇口加板模拟总压畸变流场

采用变唇口加板或加杆的方法,模拟某飞机进气道出口截面不同型式的总压畸变流场。变唇口加板能模拟具有中心低压区的总压分布;变唇口加杆可模拟具有中心高压区且周向畸变较小的总压分布。采用圆弧切割法能较正确地模拟总压等值线形状。所模拟的稳态周向总压畸变指数(DC₆₀)、平均湍流度(T_u)和最大瞬时总压畸变指数(K_θmax或K_tmax)均能达到规定的精度要求。该方法不仅能模拟复杂的总压分布和稳态畸变指数;也能模拟动态畸变指数。     

含气率对液力透平影响的非定常分析

为了研究含气率对液力透平内部压力的影响，以比转速为84.5的单级单吸离心泵反转作液力透平并对其内部流场进行CFD瞬态数值模拟，获得了气体在液力透平内的分布规律以及气液两相介质下透平内部流场的压力脉动变化规律。结果表明:从蜗壳进口到叶轮出口,含气率逐渐增加，含气率等于0.2时蜗壳出口、叶轮进口气体的尾迹效应明显，分布不够均匀。叶轮出口有气体聚集现象，气体体积分数越高，聚集现象越明显。进口含气率对透平蜗壳、叶轮内各点的相对压力分布影响明显，各点的相对压力随着透平进口含气率增加而降低。含气率小于0.05时其对透平内各监测点的压力脉动主频幅值影响不大，含气率大于0.05后其对液力透平内各监测点的压力脉动主频幅值有影响，含气率越高，压力脉动主频幅值越小。不同含气率下液力透平蜗壳周向、径向以及叶轮内的压力脉动主频均等于叶轮叶片的转动频率。      

某发动机风扇进气畸变数值模拟

采用周向平均体积力的方法将叶片对气流的作用简化为体积力源项研究进气畸变对某航空发动机风扇的影响.分别对该风扇在均匀进气条件下和进口存在稳态总压畸变条件下的流场进行了模拟计算,得到了和雷诺平均Navier-Stockes(RANS)计算几乎完全一致的特性线以及流场主要结构特征,在进行进气畸变条件下流场模拟计算时成功地捕捉到了进口畸变扰动在流场中的传播情况,并能够正确反映进气畸变对压气机的影响.结果表明:压气机进气畸变流场有着大尺度、强耦合、信息传播三维性明显等特征,采用周向平均体积力研究方法可以利用非常少的计算资源加深对进气畸变流动的认识.      

进气道出口截面形式对补燃室掺混性能的影响研究

为研究进气道出口截面形式对补燃室掺混气动特性和燃烧性能的影响，本文对双下侧布局形式的固冲发动机内流场进行数值模拟，对比分析了补燃室相同压比下两种不同进气道出口截面形式在不考虑燃气的混合和反应时掺混段的气动特性和考虑燃气反应时补燃室的燃烧性能。结果表明：两股空气掺混过程中，研究的两种进气道出口截面方案的整体总压损失大致相同，但进气道圆形出口截面的掺混段内流线表现为不稳定的螺旋点形态，相比于方形出口截面的掺混段，其使气流掺混更剧烈，短距离内掺混已经很均匀，且旋流强度小；在考虑燃烧时，进气道圆形出口截面对应的补燃室出口总压恢复系数比方形截面的高约2%，方形进气道出口截面的补燃室出口截面总燃烧效率为95.58%，而圆形截面的达到99.86%。     

高度对航空发动机地面试验性能的影响

本文简要分析了海拔高度对航空发动机地面试验性能的影响和研究该影响的两种方法的优缺点。在此基础上提出了利用高空台压力调控的独特优势,通过不同进口压力对发动机定冲压比性能影响研究来确定其影响的研究方案。某型发动机的试验结果表明,在发动机冲压比1.6、风扇换算转速94.5%96.5%条件下,进口总压在7090 kPa之间得到的发动机换算性能基本一致。这表明环境压力在70 kPa以上（海拔高度3 km以下）时,对研究的发动机而言已经工作在雷诺数自模区,即环境压力的变化对试验换算性能的影响可以忽略。从而,可以利用海拔高度3 km以下的地面试验来确定研究发动机在标准大气海平面静止空气条件下的性能。      

涡流发生器对Bump进气道性能影响数值研究

以一种Bump进气道为研究对象,通过在S弯扩压段入口处布置涡流发生器来控制流动分离,减小出口总压畸变。采用CFD数值计算软件对Bump进气道在设计点(Ma=2.0)与非设计点(Ma=1.8,0.8)工况下内、外流场进行计算,分析不同涡流发生器方案的效果。计算结果表明:在设计点工况下,安装涡流发生器能够抑制流动分离,改善进气道流场品质,减小出口总压畸变;在一些非设计点工况下会增大Bump进气道出口总压畸变;Bump进气道总压损失有所增大,不同叶片间距的涡流发生器对总压损失的影响相当。      

MHD加速器模式磁控进气道的优化设计

为提高超燃冲压发动机进气道在非设计状态下的性能,对磁控进气道进行了研究。采用二维磁流体动力学(MHD)模型对加速器模式的磁控进气道进行了数值模拟和参数优化。分析了电磁作用使空气流率增加的原因,选取了一组优化的设计参数进行数值模拟,确定了磁流体关键参数与进气道主要性能参数的匹配原则。分析表明磁场的大小和方向以及电磁作用的位置对进气道性能有重要影响;唇口附近及上方的电磁作用对增加空气流率起到了关键的作用,磁流体加速器可以显著增加进气道的空气捕获率和压缩比,但由于不可逆效应总压恢复系数会减小。研究结果表明,当飞行马赫数小于设计马赫数时加速器模式的磁控进气道可以提高进气道的性能。