水泵叶轮的流动叠加设计方法与CFD仿真

叶轮叶片是复杂的空间曲面体,它直接影响到水泵的水力性能及运行稳定性.发动机水泵叶轮流动叠加设计是通过分析流体的流动规律,按其流动轨迹进行叶轮设计,将流体在离心水泵内的流动看作叶轮静止时的轴向和径向流动和叶轮旋转时的周向流动的叠加,从而用绕角流动和源环流的流体流动规律设计出叶轮的轴面轮廓和叶片骨线.通过CFD(Computational Fluid Dynamics)仿真,可以证明该方法从结构上避免了流体流动过程中由于空间的相对不均而造成的压力不均,减轻了回流、二次流,相应地减少能量的损失,提高水泵的效率.     

轴流压气机内导叶/转子干涉对转子流场的影响

叶轮机械内的转静干涉现象多年来一直是一个研究的热点,然而现有的对于转 静干涉的研究多局限于对流动现象的描述,缺乏理论指导,因此无法在叶轮机械的设计体系 中包含这一非常重要的非定常流动现象,限制了叶轮机械性能的进一步提升.利用流动稳定 性及感受性理论来指导对这一问题的研究,能够找到利用这一现象提升叶轮机性能的规律. 对于一台单级低速轴流压气机内的导叶/转子干涉现象进行了实验研究.利用二维粒子图像 速度仪测量得到了导叶/转子干涉的定量流动细节,及其对于转子流场的影响.结果表明, 转子流场在定常来流条件下也表现出显著的非定常性.在引入导叶/转子干涉之后,转子流 场结构发生显著变化.动叶尾迹强度明显减弱,叶背流动分离得到抑制,叶尖泄漏涡也得到 了周期性的抑制.除了导叶尾迹对动叶流场的干涉作用以及气流角的周期性变化以外,动叶 非定常流动对于不同的导叶/动叶干涉激励频率的不同响应是引起压气机性能变化的主要原 因.      

小几何特性小孔径细水雾离心喷嘴的数值模拟

针对最大流量原理法在设计小几何特性小孔径细水雾离心喷嘴方面的不足,采用Fluent软件中的多相流混合模型,模拟了包含蒸气和水两相的喷嘴内部流动,得到了流量、喷雾锥角等宏观参数,并和实验测量数据以及理论计算值进行了对比,分析了不同结果产生的原因;同时,还对喷嘴内的气液两相体积分数、轴向与切向速度、压力分布等流场特性参数进行了分析,着重论述了与理论模型之间的差异以及相应的机理.数值模拟方法考虑了液体的粘性和壁面摩擦力等因素,较好地反映了喷嘴内部的流场特性,为小几何特性小孔径细水雾离心喷嘴的设计提供了借鉴.      

对旋轴流风机的稳态流场数值模拟

在任意曲线转动坐标系及重整化群(RNG)方法改进的k-ε两方程湍流模型基础上,提出了"通用进出口边界条件"的给法,并利用改进的强隐式(MSIP)方法进行计算迭代,提高了对多排叶轮机数值模拟的稳定性和准确性.通过对某对旋轴流风机定常全三维流场的计算,并与设计参数和实验性能参数进行对比分析后,验证了在风扇/压气机的设计中,不宜在叶尖区分配最大负荷,这种设计对对旋轴流压缩系统尤其不利.     

S弯进气道出口旋流对轴流压气机性能的影响

为探究S弯进气道出口旋流对轴流压气机性能的影响，优化设计了旋流畸变网以模拟旋流，利用数值模拟的方法探究了单级轴流压气机在S弯进气道出口旋流作用下的气动响应，获得均匀进气条件和旋流进气条件下的压气机特性线和流场分布。结果表明:优化后的旋流畸变网总体旋流角误差降低了。S弯进气道出口旋流对增压能力影响不大，但会导致压气机效率下降，稳定工作范围减小。在100%和80%换算转速，压气机的压比最大降幅分别为0.12%和0.28%，在峰值效率点附近的效率最大降幅为3.2%和14.4%。S弯进气道出口旋流中的反向旋流区增大了转子叶片进气攻角，导致气流叶背分离、叶片通道堵塞，最终导致压气机失稳。      

引气对跨声轴流压气机性能的影响

以单级跨声轴流压气机NASA Stage35为研究对象,根据影响转子和静子通道流动的主要物理现象分别设计了多种引气方案.通过数值模拟比较分析引气与不引气状态下压气机的详细流场,结合实验测量结果,研究转子机匣端壁引气位置以及静子机匣端壁引气量对压气机性能及流场的影响.结果表明:转子机匣端壁引气能够有效控制间隙泄漏流的发展,减小叶尖损失,提升压气机性能.不同的引气槽结构和轴向位置对间隙流动的影响机理不相同;静子机匣端壁引气能够有效减小静子叶排损失,提升压气机效率.      

某型无人机全机气动力数值计算

使用三维造型软件和计算流体力学软件对某型无人机进行了气动力数值模拟,得到小迎角范围内的升、阻力系数和力矩系数以及无人机表面的压力、密度和来流速度分布情况,同时,对该无人机进行了气动力的工程经验估算,并将估算结果与数值计算结果进行对比分析.研究表明,数值计算能够较好的模拟小尺度低速流场流动,对无人机的研制能起到重要的作用.计算结果为下一步无人机的气动外形优化设计提供了理论依据和重要参考.     

均匀和畸变进气条件下轴流压气机失速分析

利用逐叶排的非线性模型,模拟了单转子压气机在均匀进气条件下失速的形成和发展过程,对失速特征参数的预测结果与试验结果基本相符.模拟了周向稳态总压进气畸变对单级轴流压气机失速特征的影响,畸变进气对压气机的失速特征参数影响不显著,但是畸变流场与失速流场的耦合作用激发轴向气流振荡增强,使压气机呈现出轴向与周向气流振荡两种失稳模态,它们的相互作用对压气机失稳具有重要影响.     

汽轮机末级三维非定常流动数值模拟

空冷汽轮机组采用空气作为冷却介质,是一种典型的变工况运行机组.深入了解透平叶片在设计状态和高背压条件下的非定常流动机理,能更好设计空冷汽轮机以及提高叶轮机械的性能和稳定性.主要利用三维粘性非定常数值模拟的方法对设计状态和高背压条件下透平叶片内部的流动进行模拟,并分析了设计状态和高背压条件下非定常流动机理.结果表明,在设计状态动静干涉作用是导致非定常现象产生的主要原因;在高背压条件下动静干涉作用很弱,导致非定常现象不明显.     

静叶角度调节对组合压气机性能优化机理

采用流线曲率法求解组合压气机的准三维流场,在叶片排前后缘及中间设置计算站,使用样条函数拟合流线;根据组合压气机结构特点,发展了适合其特性计算的损失、落后角模型及计算程序;将特性计算程序与导、静叶角度优化调节方案相结合,确定出不同设计转速下,导、静叶最佳调节角度组合.在90%设计转速,近最高效率点处,利用全三维的数值模拟手段分析了组合压气机导、静叶最佳角度调节前后流场结构变化.研究结果表明:导、静叶角度调节削弱了压气机叶片排中的激波强度,减少了损失,同时能抑制气流的分离,明显改善组合压气机的流场结构.      

机载离心式制冷压缩机设计及特性分析

开发制冷量等级为50 kW的超级小型化离心式制冷压缩机是发展新一代战斗机蒸发循环系统的关键技术.由于小流量特点,工业中使用的大型离心式制冷压缩机设计经验不能完全适用于小型离心式制冷压缩机设计及工作特性的预测.基于试验,提出相关设计方案,通过建立小流量离心式压缩机效率、压比等的特性计算方程,对所设计的压缩机进行性能预测,经试验数据验证,计算结果与试验数据较为接近.该研究结果可为国内发展机载蒸发循环用离心式制冷压缩机提供技术支持.     

某涡喷发动机数值建模与改型设计

基于面向对象的部件级航空发动机性能计算模块,构建了某无人机用小型涡轮喷气式发动机的稳态性能计算模型,并根据该发动机原始性能实验数据,对构建的计算模型进行了可信度校核.在模型校核的基础上,为提高该发动机在不同任务载荷下的功能适用性,利用部件匹配技术对该涡轮喷气式发动机提出了可行性改型设计方案.计算结果表明,在维持该涡喷发动机离心压气机工作线不变,同时保证热强度和结构强度可靠性的条件下,改进组合压气机中的轴流级压气机,可以使该发动机推力有较大提高,耗油率得到有效降低.      

大攻角状态压气机分离流及叶片动力响应特性

为研究大攻角状态压气机转子内部分离区的脱落和传播过程及转子叶片对其动力响应问题,对某跨声速压气机级进行了非定常数值模拟和双向迭代流固耦合数值模拟。研究结果表明,在近失速状态,转子叶片通道内会周期性地发生2次叶背分离区的脱落和传播现象。第1个分离区主要表现出轴向传播特性,其会对下游流场产生影响;第2个分离区主要表现出周向传播特性,其会作用于周向相邻的转子叶片,对转子叶排自身产生激励作用,进而影响叶片表面压力分布,引起叶片较强的动力响应,对叶片结构强度的影响不可忽略。非定常/流固耦合计算手段能够较全面地预测流场中激励源的频率、幅值与位置等,在压气机设计阶段应对此类预测工作予以重视,以期更准确地预测叶片共振及动力响应等问题。     

轴向斜槽式轮毂处理的三维流场分析

首次采用网格分区的方法,对带有轴向斜槽式轮毂处理的压气机叶栅通道流场进行了数值模拟,分析了轴向斜槽式轮毂处理的扩稳机理以及它对压气机性能的影响的原因所在,进一步探讨轴向斜槽的几何参数的变化对其扩稳效果的影响.在计算中采用了非交错网格的SIMPLE算法,求解时均N-S方程,紊流模型采用基于RNG(重整化群)方法的K-ε紊流模型.      

电子战特种飞机电磁兼容预设计技术

为解决飞机电磁兼容传统设计方法的不足,提出并采用自顶向下、全机系统量化的电磁兼容预设计方法,在特种飞机系统方案论证阶段构建能量传输模型和系统受扰的关联矩阵,通过数值仿真、行为级仿真、等效推算、模拟测试、数据统计等手段,分析机载设备、火工品、燃油和人员的安全性,对全机的电磁兼容进行评估、指标量化分配和优化设计,实现全机系统良好的电磁兼容设计状态;能针对分系统指标的变动随时分析全机电磁兼容性的变化,也可为实现全机电磁兼容而调整分系统指标.该方法在全机系统定型前充分暴露可能出现的电磁兼容问题,并最大程度将其解决在系统设计阶段.该方法已应用于多个特种飞机型号的电磁兼容研制中,预设计成功率高,为解决型号研制中的电磁兼容问题提供了重要的技术支撑.      

轴流压气机尾流撞击效应机理的数值模拟

通过精确给定转子进口边界条件,以模拟上游静子尾迹对转子流场的影响,这样利用单排的计算结果模拟转/静干涉引起的非定常流动对流场气动参数的影响,因为相邻叶片排的叶片数不同,从而避免传统方法中常用的叶片数约化存在的难以正确模拟非定常激励频率的问题,对计算时间和计算能力的要求也可减少.针对一个低速转子的数值模拟结果显示,如果能合理地组织来流尾迹的扫过频率和尾迹亏损的幅度,对转子气动性能的改善是很显著的,从而为风扇/压气机中控制和利用非定常流动提供了一个可行的方向.     

风扇/增压级带间隙三维粘性流场数值模拟

使用三维数值模拟软件NUMECA(Numerical Mechanics Application)对双涵道风扇/增压级带转子叶尖间隙的粘性流场进行了三维定常流动数值模拟,获得了其设计转速下的流场特性.结果显示,随着外涵背压的升高,风扇顶部激波后阻塞区周向和轴向尺寸增大,激波变形加剧,继续提高外涵压比,则外涵效率和进出口流量下降.内涵背压的升高,使内涵各转子叶片顶部的泄漏流动影响范围向上游扩散.内涵背压过高,效率和进出口流量同样会有下降的趋势.同时通过和实验结果的比较表明,数值模拟软件模拟的风扇/增压级的三维定常粘性流场能够较真实的反映出转子叶尖间隙泄漏流场的结构特征,以及间隙对流场参数的影响.      

高速转子连接结构刚度损失及振动特性

高负荷航空发动机转子的转速和支点跨度不断加大,使得转子弯曲刚度下降,并在工作中具有一定弯曲变形。转子弯曲变形时,连接界面会存在刚度损失,需考虑转子弯曲变形对连接界面刚度特性及转子系统振动特性的影响。提出了定量描述连接界面刚度损失的力学模型,并针对非连续转子系统的动力学设计,提出了基于应变能分布优化的连接结构刚度损失抑制方法。数值仿真结果表明:转子弯曲变形下,连接界面刚度损失显著,会使转子弯曲临界转速大幅降低;通过转子应变能分布优化设计可有效降低连接界面刚度损失对转子系统振动特性的影响,对转子系统振动特性优化设计具有重要的指导意义。      

星载天线传感器优化部署的均匀设计方法

为提高模态密集大型星载天线在轨模态参数辨识精度,提出基于均匀设计的遗传算法对传感器数量和位置进行优化部署。根据模态空间H₂范数确定参振模态阶数;分别以测量信息正交性和能量最大为优化目标,引入均匀设计方法对传感器数量、种群规模、交叉概率和变异概率4个组合参数进行选取;采用特征实现算法进行在轨模态参数辨识研究。数学仿真表明：所提出的方法可以有效解决传感器数量和位置的优化部署问题,避免了以往人为经验选取参数时存在的主观性和盲目性问题。