某型超音速冲击式氧涡轮叶型气动优化

使用NUMECA软件对某型超音速两级冲击式涡轮进行了全三维定常湍流流场计算,分析了计算结果。以此为基础,通过修改叶型得到性能较高的涡轮叶型设计,并对比了优化前后涡轮内部流场。以三维计算结果为基础,分析涡轮内部流动损失,在保证氧涡轮原有机械结构不做大的改变、输入条件不变的情况下,对涡轮叶型进行优化研究。以叶型参数为变量,以总静效率(在总总效率的基础上考虑余速损失而得)为目标函数,通过反复修改各个叶型参数,然后对每次修改过的叶片进行三维计算,通过比较涡轮总静效率大小判断叶型优劣。通过优化,获得了效率更高、做功能力更强的涡轮叶型。研究成果对工程研制有一定的指导意义,总结的涡轮气动设计及优化方法,对涡轮的设计具有借鉴作用。     

亚声速部分进气涡轮数值模拟及优化设计

基于SST湍流模型,通过求解雷诺平均的Navier-Stokes方程组,对某亚声速、部分进气形式涡轮全流场进行三维粘性定常仿真计算。共计算了4种模型,分别包含不同的损失通道,获取了涡轮部件各通道的具体损失量值。计算结果表明:原涡轮叶片通道损失、泄漏损失、部分进气损失基本处于较低水平。涡轮进排气结构性能差,内部流动混乱,存在大量分离涡,对涡轮效率影响很大,具有较大提升空间。通过涡轮进气和排气结构的优化改进,采用切向进气和切向排气的变截面蜗壳形式结构,三维仿真结果表明:优化后涡轮部件效率从0. 675提高至0. 706,增加了4. 59%,且涡轮轴向尺寸大幅度缩减。     

火箭发动机部分进气涡轮设计与流动分析

根据某型液体火箭发动机总体性能及结构要求,采用一维方法设计了部分进气、圆锥形喷嘴、单级超声速冲击式涡轮。基于求解雷诺平均的Navier-Stokes方程组,对涡轮内部流场进行全三维粘性定常仿真计算及分析,并研究了不同转子叶栅通道面积变化方式对涡轮性能的影响。结果表明:部分进气涡轮内部流动流线不规则、存在较多漩涡流动、转子叶栅激波复杂、叶片通道内分离较为严重;喷嘴通道和转子叶栅通道内总压损失均在20%以上,其中转子叶栅通道损失更大;不同转子叶栅通道面积的变化方式对涡轮总体性能影响基本不大,但收缩-扩张型通道可降低流速,缓解气流分离,对降低叶片温差应力有一定帮助。     

冲击式涡轮内部流动数值研究

利用商业计算流体力学软件Numeca对某冲击式涡轮在不同工况下的内流场进行了定常流动数值模拟,分析了涡轮的气动参数、流量及效率等的变化规律。分析表明,冲击式涡轮内部流场非常复杂,涡轮静子出口马赫数较高,相应的激波损失较大,从而涡轮转子的激波损失也较大,造成气流在靠近尾缘部分分离严重,这是冲击式涡轮追求低出口速度低反力度造成的。计算表明,模拟计算结果与试验结果较为吻合。     

基于导叶端弯的小展弦比燃气涡轮优化设计

以某型火箭发动机用亚声速小展弦比燃气涡轮为研究对象,为进一步改善涡轮内部流场,提高了涡轮效率,通过调整导叶子午端壁型线曲率、采用导叶端弯的设计方法对涡轮进行了优化设计,其作用在于减小叶片通道二次流损失,并将导叶出口压力分布进行调整,从而减小叶顶泄漏损失。基于六面体网格,采用CFX流场分析软件对优化前后结构进行了数值计算,结果表明:优化后单通道无叶顶间隙模型涡轮效率提高1.4%;采用正弯设计后,轮毂和叶顶处绝对和相对气流角显著增大,叶片中部气流角有所减小,整体分布更加均匀,消除了原型结构动叶轮毂区的流动分离;优化后全通道模型围带间隙前后压差明显降低,泄漏量从7%降低至4.75%,涡轮效率提高5.9%。     

超音速复速级涡轮的气动设计改进

采用数值模拟方法对某液体火箭发动机超音速复速级涡轮进行了流场分析。根据分析结果对两列动叶的叶型进行了改进设计：第一列动叶栅的改进采用自由旋流法,通过等通道的叶栅流道设计,减弱了激波对附面层的干扰,有效抑制了流道内的流动分离;第二列动叶栅的改进采用参数化叶片造型法,型线用具有局部修改能力和保凸性较好的Bezier曲线表示,通过减小入口攻角降低了分离损失。数值模拟结果表明,改进后的复速级涡轮内部流动特性改善显著,分离损失明显减小,效率提高了5％以上。     

局部进气冲击式压力级涡轮设计优化研究

依据液体火箭发动机涡轮泵原理,建立了两级局部进气冲击式压力级涡轮的设计方法。该方法可以根据涡轮进出口边界条件、转速和结构尺寸等参数,完成涡轮的一维设计,并输出叶型的几何数据和流动性能参数,再结合三维数值模拟进行验证。按照涡轮总体设计要求,完成了某小流量高压比涡轮的原始设计,根据三维数值模拟的结果,对原始设计的涡轮叶型进行了优化,涡轮效率提高了2%。在全周结构上进行了三维数值模拟验证,优化后的两级局部进气冲击式压力级涡轮满足涡轮总体设计要求。     

某型液体火箭发动机部分进气涡轮盘振动分析及改型设计

针对某液体火箭发动机部分进气自由叶片涡轮盘多次试车后在叶片型线根部和背弧出现疲劳裂纹的问题,采用三维弹塑性有限元法,考虑部分进气产生的Kick效应,计算了涡轮盘的静强度,得到了部分进气作用下叶片的静弯应力;考虑多场环境引起的预应力影响,计算了涡轮盘的模态,获得了涡轮盘固有频率和主振型;采用全环模型,计算了部分进气作用下涡轮盘的动态响应和动应力。在裂纹原因分析的基础上,对涡轮盘进行改型,在叶片顶部增加了围带,并对带围带涡轮盘进行了计算分析。结果表明：加围带后,涡轮盘叶片气流静应力下降了50■;气流力作用下的叶片动弯应力下降了65■;叶片之间以及叶片和轮盘之间耦合作用明显增强,涡轮盘固有振动模式发生转变,避免了叶片在共振频率附近发生的强迫振动;改型后显著降低了涡轮盘静应力及动弯应力,降低了出现裂纹的风险。     

基于流固耦合的部分进气涡轮数值模拟研究

发展了三维线性插值算法用于CSD/CFD耦合计算数据交换,对某型液体火箭发动机部分进气涡轮进行了气/热/固多学科耦合数值仿真。结果表明,发展的三维线性插值程序对网格类型限制性小,计算简单,计算量小,插值结果能够满足耦合计算要求。仿真结果表明,某型火箭发动机涡轮由于其部分进气结构设计和叶轮高速旋转,设计工况下在涡轮转子入口处产生了较强的激波,激波与边界层干涉不仅使涡轮转子叶片的载荷分布出现了强烈的不均匀性,同时在叶轮的高速旋转下,该涡轮转子受到强烈的气动、热交变力冲击,其结构强度问题变得尤为突出。耦合计算分析认为设计工况下,该型涡轮结构设计,转子强度能够满足要求。     

多级涡轮气热耦合仿真性能及强度对比研究

航空航天发动机中,涡轮工作环境恶劣,承受流动传热耦合作用下强烈的热冲击,其结构强度问题十分突出。分别采用气动仿真和气热耦合仿真对某多级涡轮结构开展气动和强度性能仿真研究,提取相应的热边界条件进行涡轮盘结构强度有限元计算。结果表明:两种分析方法得到的涡轮气动性能十分接近,但涡轮盘表面的温度分布存在较大差异,计算得到的径向变形偏差达16%,等效应力偏差达50~100 MPa,气热耦合仿真结果更为可靠。     

可变形翼导弹动态气动特性的仿真研究

导弹发射后,飞行高度从近地面到高空域,气压、温度变化巨大,同时飞行马赫数也从低速到超声速、高超声速。在不同飞行阶段稳定性能和升阻比需求不同,对导弹气动性能要求不同。固定外形导弹的气动性能难以适用于不同的飞行任务,而可变形翼导弹通过改变翼面的形状,实现外形上的变化,从而适应不同的作战环境。通过分析可变形收缩弹翼不同收缩速度(快速、中速、慢速3种状态)的气动性能,研究了导弹气动性能随弹翼收缩速度变化的规律,揭示了升力系数和阻力系数随弹翼的收缩速率的线性变化特征。同时还分析了变形前后导弹附近流场的压强、速度和温度的变化,以及这些物理量对导弹的影响。结果表明,伸缩翼改变了翼面面积和展弦比,弹翼伸长时具有高升阻力,适合亚声速巡航,弹翼收缩可以减小高马赫数飞行时阻力,提高导弹射程。     

大流量、高压航天反力式涡轮最佳通道气动设计

基于闭式补燃循环液体火箭发动机流量大的特点，欲设计效率水平高的航天反力式涡轮。因涡轮进出口压力均很高，而膨胀比小、载荷系数大，为保证较高的涡轮效率水平，对涡轮气动设计方法进行了优化。在涡轮进口总温、总压、转速和功率一定条件下，以AMDC／KQ涡轮叶栅损失模型为基础，依据涡轮中径的一维气动计算，对涡轮子午通道、叶栅通道及叶栅造型几组参数组合分别进行了气动设计的优化，研究了涡轮中径、叶高、叶栅稠度、导动叶喉宽匹配及动叶进口构造角对涡轮效率的影响，实现了涡轮效率水平最高。     

可重复使用运载器机翼外形优化

研究了有翼可重复使用运载器机翼平面外形参数优化设计问题。在高超声速配平和低速水平着陆性能等约束条件下，利用混合遗传算法和粒子群优化算法来选择最优机翼外形参数，使机翼重量最小化。在已知的不同质心位置下求得相应的最小重量机翼外形。亚声速气动力采用面源法计算，高超声速气动力采用修正的牛顿流理论计算。为了降低计算耗费，使用均匀设计和逐步回归方法建立了低速气动力回归模型。整个优化过程在Matlab集成环境下完成。     

基于UG/GRIP的涡轮叶片辅助造型方法

运用多项式原理和UG／GRIP技术对冲击式涡轮静子叶片进行造型设计,获得了一种先进的涡轮参数化设计方法,从而能够及时、直观地考察叶片的气动特性。同时可采用交互方式对涡轮设计参数进行修改,增强了涡轮计算机辅助设计系统的交互设计能力．有利于提高涡轮设计质量。     

Performance evaluation and parametric analysis on cantilevered ramp injector in supersonic flows

The cantilevered ramp injector is one of the most promising candidates for the mixing enhancement between the fuel and the supersonic air, and its parametric analysis has drawn an increasing attention of researchers. The flow field characteristics and the drag force of the cantilevered ramp injector in the supersonic flow with the freestream Mach number 2.0 have been investigated numerically, and the predicted injectant mole fraction and static pressure profiles have been compared with the available experimental data in the open literature. At the same time, the grid independency analysis has been performed by using the coarse, the moderate and the refined grid scales, and the influence of the turbulence model on the flow field of the cantilevered ramp injector has been carried on as well. Further, the effects of the swept angle, the ramp angle and the length of the step on the performance of the cantilevered ramp injector have been discussed subsequently. The obtained results show that the grid scale has only a slight impact on the flow field of the cantilevered ramp injector except in the region near the fuel injector, and the predicted results show reasonable agreement with the experimental data. Additionally, the turbulence model makes a slight difference to the numerical results, and the results obtained by the RNG k−ε and SST k−ω turbulence models are almost the same. The swept angle and the ramp angle have the same impact on the performance of the cantilevered ramp injector, and the kidney-shaped plume is formed with shorter distance with the increase of the swept and ramp angles. At the same time, the shape of the injectant mole fraction contour at X/H=6 goes through a transition from a peach-shaped plume to a kidney-shaped plume, and the cantilevered ramp injector with larger swept and ramp angles has the higher mixing efficiency and the larger drag force. The length of the step has only a slight impact on the drag force performance of the cantilevered ramp injector. However, it makes a difference to the flow field in the vicinity of the fuel injector, and the subsonic region becomes narrower with the increase of the length of the step.     

一种共轴双旋翼式火星飞行器设计及其试验验证

针对火星飞行器探测需求,提出了一种共轴双旋翼式火星飞行器,基于计算流体力学方法优选了桨叶翼型、平面形状和扭转角等结构参数,基于叶素动量理论建立了旋翼气动力学模型,利用数值模拟方法选择了旋翼转速、旋翼间距和桨叶安装角等飞行参数,设计了原理样机"火星飞鸟-I"的结构与控制系统。构建了火星大气环境模拟器和重力补偿与运动约束装置,开展了模拟火星环境下旋翼式飞行器地面飞行试验,验证了共轴双旋翼式火星飞行器的推进性能,展望了旋翼式火星飞行器技术的发展方向。研究成果对我国开展的火星探测工程具有重要借鉴价值。     

多级压缩锥导乘波体设计与分析

提出了多级压缩锥导乘波体的设计方法,该方法应用吻切锥理论和零攻角圆锥绕流基准流场通过流线追踪生成具有多个压缩面的乘波体。对以吸气式冲压发动机为动力的高超声速飞行器,应用多级压缩乘波前体可充分发挥前体的预压缩作用,为进气道的正常工作提供所需的均匀流场。以二级压缩乘波体为例阐述了该设计方法,设计方法通过对二级压缩基准流场进行重构,使其符合Taylor-Maccoll流动模型以获得新的二级压缩基准流场。同时编写设计程序生成了一级、二级和三级压缩乘波体,通过数值模拟结果校验设计方法的正确性,并对其压缩性、升阻比、总压恢复系数等性能进行了对比分析。