大涵道比发动机高空舱排气流场数值模拟研究

为了研究大涵道比分开排气发动机在高空舱内的排气流场特性,对其开展了流场数值模拟及试验验证。建立了一种发动机喷管、高空舱和排气扩压器的联合仿真模型,分别计算了不同喷管落压比状态下的发动机推力和排气流场特性,通过对比得到不同落压比下流场的变化规律。对大涵道比分开排气发动机进行了高空模拟试验,对不同落压比下的推力和高空舱内固定测点的总压与静压进行测量,并与数值模拟计算结果对比。结果表明：落压比越大,发动机射流影响范围越大,射流边界外扩,排气扩压器效率越低。推力系数随着落压比的增大呈现减小趋势。计算值与试验值结果相近,绝大多数测点的压强误差和推力误差保持在5%以内。     

分开排气大涵道比涡扇发动机高空模拟试验排气布局评估

为评估分开排气大涵道比涡扇发动机高空模拟试验的排气特性,采用数值仿真方法,对分开排气发动机高空模拟试验时配备的排气扩压器的结构进行分析。主要从发动机尾锥与排气扩压器入口距离、排气扩压器结构尺寸、舱内压力模拟偏差及次流四方面影响进行排气特性计算,并以发动机设计推力进行检验。结果表明:该发动机进行高空模拟试验时,排气扩压器直径应不小于3.5 m,排气扩压器直段长度不小于9.0 m,发动机尾锥与排气扩压器入口距离以0.85倍扩压器直段直径为宜;发动机飞行包线的巡航点和左边界点的推力偏差,均随模拟舱压偏差绝对值的增大而增大,但巡航点推力变化斜率较大。     

二元亚燃冲压发动机高空模拟扩压器气动设计

根据某型二元亚燃冲压发动机连管试验对高空舱内环境压力的要求,考虑高空台现有的抽气能力,充分利用冲压发动机排出燃气的能量,以提高模拟高度、节约能源、扩大高空台工作范围为目的,使用商业数值计算软件设计了一种高空模拟扩压器,并确定了最优的扩压器结构形式、结构参数和引射间距。     

利用发动机排气引射作用的综合效果实验研究

通过模型实验,研究利用发动机排气的引射作用,将外界部分冷空气引入发动机机舱,对后机身结构进行冷却的效果;研究被引射的冷气流在机尾罩后部与发动机排气混合后,向外排出时,对排气的红外辐射、噪声和推力的影响。     

民用航空发动机高空模拟试验排气扩压器特性分析

基于射流理论分析了民用航空发动机高空模拟试验时的排气流场,应用喷射器模型建立了针对民用航空发动机排气扩压器气动性能的计算方法,并完成了民用航空发动机试验的排气扩压器性能计算。分析了排气扩压器出口的增压比、马赫数、总温、体积流量,与排气扩压器内径和二股流流量之间的关系。基于计算分析结果,建议民用航空发动机高空模拟试车台排气采用直接喷水冷却方式,高空模拟试验时尽可能控制二股流流量。     

组合临界流文丘里喷嘴空气流量测量方法高空舱应用分析

为满足发动机高空试验低流速进气条件下空气流量精确测量,减小进气导管气流附面层影响,弱化空气流量测量与被试发动机相关性。分析了单件/组合临界流文丘里喷嘴的工作特性,给出了组合临界流文丘里喷嘴(ACFVN)空气流量计算方法,依据给定试验发动机和高空舱尺寸设计了临界流文丘里喷嘴组合结构,得到了组合临界流文丘里喷嘴在高空舱应用的控制方法和测试布局。采用小尺寸喷嘴对组合喷嘴设计和应用方法进行了验证,结果表明:采用打开/关闭喷嘴数量和调节进气压力两种组合方式在高空舱内应用方法可行,测试布局满足测量要求,下游发动机进口截面气流紊流度优于0.3%,满足发动机高空模拟试验要求。      

基于CFD/DSMC羽流仿真的新型运载火箭二级尾舱整体防热方案研究

针对使用大推力发动机的某新型运载火箭二级尾舱防热问题,引入了CFD/DSMC结合的方法用于四喷管并联的高空羽流干扰流场及羽流回流热流的仿真分析,预示了第二级发动机工作时羽流回流在二级尾舱产生热流的分布情况,并以此为基础提出了可有效阻隔四台并联发动机高空羽流回流的新型轻质、柔性整体防热结构,使二级尾舱内热流降低95%以上,改善了火箭二级尾舱的热环境。     

排气扩压器对高空舱压的影响与控制方法

为研究排气扩压器流动特性对高空舱后舱压力控制的影响,采用ANSYS191对排气扩压器进行数学建模和流场数值模拟分析,揭示其内部实际流动的物理过程;在次流质量流量为20 kg/s时,数值模拟不同排气扩压器背压和主流流量时后舱压力的变化规律,并通过样条插值得到排气扩压器背压、主流流量和后舱压力三者关系模型;建立高空舱后舱压力控制系统仿真模型,分析在不同调节模式和不同控制方法下排气扩压器流动特性对压力调节的影响。结果表明:发动机喷嘴出口处速度最大,混合后速度迅速下降,下降了约88%,而压力沿着排气扩压器轴向逐渐增大,最后趋于边界值。在发动机过渡态试验中,排气扩压器流动特性对后舱压力控制系统扰动很大,线性PID(proportion integration differentiation)控制难以保证后舱压力高精度、强抗扰的调节品质要求,而非线性PID控制不仅能减小排气扩压器流动特性对压力调节的影响,抑制发动机流量扰动,而且能保证瞬态响应快,超调量小,调节精度高。      

辅助活门对串联TBCC排气系统的影响研究

在低落压比状态下,对有无辅助活门的两种串联式TBCC组合喷管开展了数值模拟计算,并对包含辅助活门的串联式组合喷管进行了实验研究,通过分析其壁面沿程压力分布与波系结构的变化情况,探究辅助活门对串联式组合喷管气动性能的影响。结果表明：辅助活门结构减少主流喷管外壁面的流动分离区范围,有效的提高了组合喷管内推力。带辅助活门型组合喷管能够引射环境气流,减少引射喷管壁面的回流区范围与底部阻力,从而减少推力损失,提升组合喷管整体性能。提高次流压比或降低主流压比,主流喷管出口处欠膨胀程度降低,声速线往下游方向移动,主流流量减少。提高主流压比或者次流压比都能使辅助活门引射环境气流量增加。辅助活门进气通道距离会改变次流射流与引射喷管的相对位置,距离过小或过大都会造成引射环境流体流量减小。     

高空舱内次流与真空度对发动机台架测量推力影响的分析

通过高空舱内冷却空气流动与高空舱内外压差对发动机测力系统作用的分析,阐明了高空舱内次流和真空度对发动机台架测量推力影响的作用机理和本质差异,并从理论上论证了次流作用和真空度作用对测量推力影响的试验确定方法。      

航空发动机在高空台上的H0/Ma0试验分析

分析了发动机高空台H0/Ma0试验时,高空舱压力与标准大气压力不一致的产生原因,以及由于发动机排气引射作用与高空舱内冷却流动造成的环境压力低于标准大气海平面静止空气压力对发动机H0/Ma0试验结果的影响机理。在此基础上,提出了环境压力差异对发动机H0/Ma0试验结果影响的研究方案,并用两型发动机在不同试车台上进行了H0/Ma0试验与研究性试验。结果表明,70 kPa压力环境、0.99~1.02冲压比的高空台H0/Ma0试验的换算结果,与标准大气海平面静止条件下的试验结果基本一致。     

APU舱门局部结构排液分析

依据APU舱排液相关的适航条款要求，在10 min内需要通过排液结构排出超过90%的舱内积液且不增加额外着火风险。由于舱门为APU舱的主要排液结构，为满足适航要求，目前已有针对民用飞机APU舱门排液分析方法的研究工作，主要从结构总体布局的角度出发，假定全APU舱存在唯一确定排液口，讨论分析了排液口尺寸与排液速率的关系。但对于局部结构的排液能力鲜有讨论，当APU舱门采用分段密封件布局时，不当的结构外形以及不合理的尺寸设计，可能导致可燃液体从密封搭接位置泄露，从而增加意外着火的风险，因此局部结构的排液设计对于舱内液体安全有效的排放同样十分重要。基于大型客机APU舱门的排液需求，分析了舱门局部积液结构的排液能力以及相关影响因素，针对此类因素，确定其设计要点，并分别给出了对应的结构优化措施。     

直连式高空台试验中真空度与次流作用力校准的一种新方法

针对某发动机高空台试验难以用加装堵板的常规方法测定真空度与次流作用力系数的情况,通过高空舱内冷却空气流动与高空舱内外压差对发动机测力系统作用的分析,介绍了高空舱内真空度和次流对发动机台架测量推力影响的作用机理,并从真空度作用力和次流作用力与发动机总推力的关系出发,经理论推导提出了一种确定真空度与次流作用力系数的新方法。该方法使用限制条件少,试验经济性好,具有较强的工程应用参考价值。     

高空台排气系统及排气压力调节

从航空发动机高空模拟试验台模拟压力要求出发 ,介绍高空台排气系统的作用、组成和排气系统的流通 ,对抽气机和排气扩压器的特性作了概述 ,对高空舱后压力PD 调节系统、Ⅰ级抽气总管压力P M 调节系统作了说明 ,叙述发动机稳态试验、加力过渡态试验、加减速过渡态试验时高空舱后舱压力PD 和Ⅰ级抽气总管压力P M 控制方法 ,指出发动机在稳态试验和过渡态试验时高空舱后舱压力PD 的影响因素和排气系统自动调节阀 (999)在管网中的安装位置。     

基于旋翼下洗流场的直升机动力舱通风冷却系统仿真

本文对直升机悬停状态下下洗流场影响区域、动力舱以及发动机排气引射器进行了联合建模,采用结构化网格对计算域进行离散,采用有限体积法求解雷诺平均Navier-Stokes方程,通过数值仿真考察不同湍流模型、发动机散热、以及动力舱进口尺寸对排气引射器引射系数以及动力舱通风冷却系统内部流场的影响。结果表明,引射系数对湍流模型依赖性较小;发动机散热将导致引射气流量、引射系数减小,而且随着冷却气流进口面积的增大,这种影响将增大;增大冷却气流进口尺寸,冷却气流量增大,引射系数增大,但进口尺寸增大到一定值后,其效果已不明显。     

涡轮冲压组合循环发动机引射过程数值模拟

为了研究气流参数和几何参数对TBCC发动机引射工作过程的影响，基于CFD技术，采用数值求解N-S方程的方法，开展了对TBCC发动机引射工作过程的数值模拟研究。基于TBCC发动机引射过程数值模拟结果的分析，可以发现：随着引射段主流（涡轮发动机排出气流）的进口气流角度增加，总压和马赫数的分布趋于均匀，但是总压损失逐渐增大，因此在TBCC发动机引射段结构设计时，不应使涡轮发动机的排气角度过大。存在一个最小的引射段长度Lmin，当引射段长度小于Lmin。时，随着引射段长度的增加，总压损失显著增大；当引射段长度大于Lmin时，随着引射段长度的增加，总压损失基本不发生变化。     

收敛喷管的引射效应对背负式短舱温度影响研究

针对背负式发动机舱的工作条件,建立三维空气流动与传热的物理和数学模型。根据舱内结构和气流的流动特点,通过多面体网格技术和网格自适应技术进行区域离散化,采用标准k-ωSST湍流模型,对4种工况下喷管引射和无引射状态进行数值仿真,分析了舱内各典型特征截面的温度场分布、冷却气流流动情况。结果表明,发动机地面以最大状态开车时,对发动机舱的引射作用影响显著,附件工作区域温度值相比较无引射状态时低40℃左右,计算结果对发动机舱通风冷却系统设计提供一定的科学依据。     

大涵道比涡扇发动机高空台试验技术研究需求分析

分析了分开排气大涵道比涡扇发动机与小涵道比涡扇发动机,在结构、技术特点和对试验要求等方面的差异,并结合国内新建高空舱的设备特点和试验能力,提出了分开排气大涵道比涡扇发动机在该高空舱内试验前需开展的技术研究工作,明确了该大涵道比涡扇发动机开展首次高空台试验前应解决的技术问题。本研究对其他新型发动机高空台试验技术研究需求分析也具有重要的借鉴意义。     

二元引射喷管高空性能及对无人机红外抑制的数值研究

研究了长/短套管两种结构的二元引射喷管在高空飞行的无人机上的推力特性,以及对无人机3~5μm波段红外辐射特征分布的影响,同时还对比了高空和地面状态下二元引射喷管推力和红外辐射特征.排气系统和无人机的流场、温度场采用商用软件Fluent计算,红外辐射特征采用自主开发的软件（NUAA-IR）进行计算.结果表明:高空状态下二元引射喷管仍可以提高推力特性,但其效果略弱于地面状态;无人机采用二元引射喷管后在大部分探测方向上的红外抑制效果明显,最大降幅为90%;机尾探测方向上长/短套管两种结构的二元引射喷管的红外抑制规律与地面状态不同,短套管二元引射喷管的红外辐射强度大于长套管二元引射喷管,最大增幅为7%.      

直升机旋翼下洗气流对排气喷流的影响

采用数值模拟方法,对旋翼下洗气流作用下的排气喷流流动特征进行了研究,分析了旋翼下洗气流速度和排气喷口方向对排气喷流流动以及排气系统引射能力的影响.研究结果表明:排气喷流受到旋翼下洗气流的作用而发生明显的向后机身下方以及旋翼转动方向的偏转,其偏转程度随旋翼下洗气流速度的增大而加剧;当排气喷口向上排气时,排气喷流在旋翼下洗气流作用下的偏转能够形成对后机身表面的撞击,排气系统的引射能力有微弱的降低,引射系数减小约0.01;而当排气喷口斜向上或侧向时,排气喷流对后机身未形成撞击,引射能力得到了一定程度的提升,引射系数最大增大0.12.