环下润滑结构对径向收油环收油效率影响的数值计算研究

为研究环下供油润滑系统中的流动过程和收油环收油效率的影响因素及其影响规律,基于VOF(Volume of fluid)两相流模型和滑移网格模型的数值计算方法,建立了环下润滑系统内部流场的计算模型。通过数值计算,获得了收油环的收油效率并验证了数值计算结果的有效性,分析和探讨了不同结构参数对收油效率的影响。计算结果表明:利用本文数值计算方法得到的收油效率和流动现象与已有实验和数值计算结果均一致;供油喷嘴角度和收油环外径均主要影响滑油射流冲击收油叶片的飞溅量和收油叶片切割滑油量,收油效率取决于二者的相对大小,θ=0°,θ=9°和r0=2mm,r0=6mm时收油效率取极大值;收油叶片数量和供油喷嘴与收油叶片间距离分别影响收油叶片切割滑油射流的时间间隔和滑油射流在到达收油叶片前的流动,不影响滑油射流冲击收油叶片的飞溅量和收油叶片切割滑油射流的量,对收油效率的影响较小。     

高速轴承环下润滑收油叶片结构参数与工况参数间的匹配关系

为了研究环下润滑收油叶片结构参数和工况参数间的匹配关系,通过理论分析和数值模拟方法研究了收油叶片半径差、滑油喷嘴喷射角度、收油环转速和滑油流速对滑油损失角和收油效率的影响。研究结果表明：调整滑油喷射角度和收油叶片半径差可改变滑油射流冲击收油叶片外轮廓的冲击点位置,前者的影响较小,后者在低滑油流速下可以降低滑油射流的冲击飞溅量;在考虑风阻影响的情况下得到的滑油损失角小于对应的理论分析结果;11 000 r/min转速下,增加收油叶片半径差后收油效率可提高超过3.0%,在一定转速范围内调整收油叶片的半径差可降低滑油的冲击飞溅量、提高收油效率。     

无轴向通流对转轴间的流动与传热特性

为研究航空发动机对转轴间的流动与换热,建立了无轴向通流的对转环腔湍流边界层的修正卡门三层结构速度分布模型。基于该速度分布模型并依据动量传递与热量传递的比拟理论,推导了外轴内壁面换热努塞尔数的表达式及准则关系式。与CFD数值计算的速度分布、外轴内壁面换热努塞尔数进行对比验证,结果表明,对转环腔湍流边界层的修正卡门三层结构模型给出了一致的速度分布和换热规律。理论与CFD计算得到的外轴内壁面换热努赛尔数在低旋转雷诺数下符合较好,高旋转雷诺数下偏离不超过20%。     

基于飞发一体化的滑油系统热性能仿真

航空发动机滑油系统与飞机、发动机的关联参数有限。为准确表达变工况滑油系统的热性能,通过研究发动机轴承腔热性能与转子转速及主流路温度参数的拟合关系,将主机温度、燃滑油参数作为输入,对发动机滑油系统在飞行剖面上典型飞行状态点的热性能参数进行了迭代计算;针对管壳式燃滑油散热器结构及运行特性,计算了散热器换热性能。建立轴承腔和散热器的数学模型;基于系统流动仿真平台,利用内部的二次开发环境编写出C#语言代码,开发出了适用于发动机的轴承生热模型和散热器模型,实现发动机滑油系统与发动机燃油系统及飞机热管理系统的联合计算;在航空发动机、飞机变工况输入条件下,进行滑油系统、发动机整机及飞发一体化的变工况热性能迭代计算,并与试验数据进行对比。结果表明：该计算方法误差小于5%,可较准确地反映变工况条件下的热管理相关参数,为飞发一体化热管理联合仿真分析提供可靠的数据来源。     

带柔性静子部件的轴承共腔涡轴发动机碰摩特征

为研究具有轴承共腔结构的涡轴发动机在发生转、静子碰摩时转子-机匣系统动力学特征及机匣振动响应特征,建立了简化的转子-机匣碰摩动力学模型,并通过Runge-Kutta法进行求解。仿真结果表明:当发生转、静子碰摩时,机匣响应频谱中出现转子高倍频及其组合频率成分,高倍频成分幅值随碰摩程度加重而增大。对该型发动机进行台架试车实验,验证了该模型和结论的有效性。并利用不具有该结构的某第二代涡轴发动机试车的碰摩数据,进一步验证了带柔性静子部件的轴承共腔发动机中双转子间存在运动耦合,为涡轴发动机振动监控与故障诊断提供一定的理论依据。      

构建航空发动机滑油系统稳态模型

研究模拟不同飞行条件下滑油系统稳态工作对滑油系统的设计和故障诊断具有重要的参考价值。基于部附件特性，提出了依据8个航空发动机性能参数，用向量计算和插值算法取代迭代算法来构建滑油系统稳态模型的方法，并对发动机在海平面、最大工作状态条件下的滑油系统性能参数进行了验证计算。计算结果与设计数据吻合较好，误差在5％以内，表明所建立的稳态模型是有效的。滑油在各轴承腔和齿轮箱中的流量分配随空气压力变化，计算误差主要来自轴承腔和齿轮箱压力分布假设，为进一步提高计算精度，必须建立航空发动机内部空气系统模型。     

轴承共腔-双转子系统耦合振动特性研究

为解决某型涡轴发动机振动超标的问题,针对带有轴承共腔结构的先进民用涡轴发动机转子系统,建立轴承共腔-双转子系统非线性动力学模型,考虑滚动轴承和挤压油膜阻尼器的非线性力,实现了耦合振动的交叉频率成分仿真,揭示了轴承共腔-双转子系统耦合振动的机理,并通过了模拟转子试验验证.研究了轴承共腔-双转子系统耦合振动特性及影响因素,...     

轴承共腔结构涡轴发动机相似模型设计

为改善轴承共腔结构双转子系统动力学实验器建立过程中人为或非人为结构畸变导致的动力学相似性偏差问题,开展 了适用于轴承共腔结构的双转子系统动力学特性研究。通过有限元法建立了某轴承共腔结构双转子发动机的转子动力学模型及 其粗尺相似模型,在对该转子模型动力学特性分析的基础上与原型发动机转子的动力学特性进行对比,比较了双转子系统的动力 学相似性。通过遗传算法建立了针对双转子系统动力学特性的相似优化算法。针对该型轴承共腔结构涡轴发动机采用提出的优 化算法建立了双转子系统相似模型。通过有限元法对该相似模型进行动力学特性分析,对比了该相似模型和原型发动机转子之间的 临界转速和振型特征。结果表明：该相似模型与原型转子模型相比保持了良好的多阶临界转速比例关系,且具有较好振型相似性。     

中介轴承环下流道滑油流动及润滑效率分析

航空发动机主轴轴承（中介轴承）大多采用环下供油方式进行润滑,滑油在环下供油流道中的流动特性影响着轴承润滑效率,为了改善迄今滑油流动分析与喷射-收纳滑油分析相割裂及未考虑环下供油孔与滚动体相对位置变化所产生滑油输出时变性影响的不足,提出了考虑滑油输出时变性影响的喷油-收油与滑油流动集成分析方法。首先,将进入环下供油流道的滑油分解为直接喷入收油孔的滑油和沉积于收油环壁面上并沿周向流入收油孔的滑油,通过计算这两部分滑油流量获得进入环下供油流道的滑油流量;然后,基于环下供油孔和滚动体相对位置变化规律确定供油孔出口的时变边界条件,将其嵌入滑油流动瞬态分析模型,进行模型求解后得到环下供油流道各出口的滑油流量及轴承润滑效率。所提出的滑油流动分析方法较为系统也更符合工程实际,为中介轴承润滑效率的准确计算提供了技术方法和基础数据,有助于中介轴承润滑系统的精确设计。     

航空发动机轴承腔内油气两相分布数值计算

主轴承腔是航空发动机润滑系统油气两相流的重要区域,了解滑油及密封空气在腔内的分布预测对于认知腔内两相流动具有重要的意义。利用VOF数值计算模型对某航空发动机轴承腔简化模型内油气两相流进行了数值计算,定义无量纲数β^＋用来分析腔内两相分布。计算结果与现有实验数据符合良好。给出了滑油在腔内的相界面分布,描述了腔内的油膜分布及运动,并且分析了无量纲数β＋在腔内周向分布及出口处随着转速及滑油进口流量的变化规律。     

基于气固两相双流体模型研究火箭发动机斜切喷管流场特性

为了研究火箭发动机(SRM)斜切喷管的两相流动特性,采用气体-颗粒相双流体模型,并结合多区域混合网格技术,对发动机斜切喷管内气相与颗粒相的相互作用规律进行研究,探索颗粒直径与颗粒质量分数变化对发动机喷管气固两相流动特性的影响。结果表明:固体颗粒相的存在,对发动机斜切喷管的流场结构产生重要影响,导致喷管轴线附近存在一个燃气流动速度较低,温度较高的区域。同时,喷管壁面附近存在无粒子区,随着颗粒直径的增加,无粒子区域的范围逐渐扩大。并且,颗粒直径越大,其运动速度越小,在喷管内的滞留时间越长。颗粒直径与质量分数的变化同样会影响发动机喷管的流场结构,随着颗粒直径的增加,发动机喷管轴线处气相马赫数先减小后增大,而燃气温度则先增大后减小;发动机推力的变化趋势与马赫数变化趋势相同,但两者并不同时达到极值点。颗粒相的质量分数越大,沿喷管轴线方向的气相马赫数和发动机推力越小,喷管两相流损失越大。     

Numerical study on combustion efficiency of aluminum particles in solid rocket motor

The combustion of aluminum particles in solid rocket motor plays an important role in energy release of propellants. However, due to the limited residence time, aluminum particles may not be burned completely, thus hindering the improvement of specific impulse. This study aims to explore the characteristics of aluminum combustion efficiency and its influencing factors by experiments and numerical simulations, providing a guideline for engine performance improvement. As an input of simulation, the initial agglomerate size was measured by a high pressure system. Meanwhile, the size distribution of the particles in plume was measured by ground firing test to validate the numerical model. Then, a two-phase flow model coupling combustion of micro aluminum particle was developed, by which the detailed effects of particle size, detaching position and nozzle convergent section structure on aluminum combustion efficiency were explored. The results suggest that the average combustion temperature in the chamber drops with increasing initial particle size, while the maximum temperature increases slightly. In the tested motors, the aluminum particle burns completely as its diameter is smaller than 50 μm, and beyond 50 μm the combustion efficiency decreases obviously with the increase of initial size. As the diameter approaches to 75 μm, the combustion efficiency becomes more sensitive to particle size. The combustion efficiency of aluminum particle escaping from end-burning surfaces is significantly higher than that from internal burning surface, where the particle combustion efficiency decreases during approaching the convergent section. Furthermore, the combustion efficiency decreases slightly with increasing nozzle convergent section angle. And theoretically it is feasible to improve combustion efficiency of aluminum particles by designing the convergent profile of nozzle.     

模型发动机内凝相颗粒碰撞的数值模拟

针对燃烧室内的高温液态凝相粒子,利用所建立的数学模型对聚集状态下粒子间的碰撞与聚合及其与发动机壳体之间的相互作用过程开展了数值分析,获得了收敛管内壁面上液膜厚度及从出口处逃逸的粒子直径分布,并和实验数据进行了比较分析。结果表明在发动机两相内流场计算中,将凝相粒子看成无蒸发的液滴更为合适;聚集状态下凝相粒子间的碰撞与聚合对粒子直径的分布有很大的影响;粒子和壁面之间的相互碰撞不但会导致大量小尺寸粒子的生成,而且也是收敛管内壁面上金属膜形成的直接原因。     

固体火箭发动机Al_2O_3凝结及颗粒破碎的数值模拟

Al2O3凝结对固体火箭发动机Al颗粒的燃烧效率及燃气流动有很大影响。结合拉格朗日方法,建立Al2O3凝结模型,分析了在Al2O3烟雾凝结及颗粒自身破碎作用下,不同初始直径Al颗粒的燃烧效率及燃烧室流场的变化规律。计算结果与同条件下的测试数据有较好的吻合,颗粒分布符合相关实验现象。结果表明,小颗粒燃烧后,流场温度及Al2O3烟雾分布均匀;随颗粒初始直径的增加,径向出现明显分层现象;在发动机出口,小颗粒燃烧效率较高,颗粒中Al2O3质量分数较大,但破碎程度较小;随初始直径增加,颗粒燃烧效率逐渐降低,颗粒中仍含有大量未燃烧的Al,破碎程度提高,颗粒数目急剧增加。     

平面叶栅内固体粒子运动特性的研究

在利用高速摄影技术获得固体粒子在平面叶栅内运动特性的基础上, 采用Lagrangian轨迹法分别在考虑与不考虑边界层影响的情况下, 计算了固体粒子在叶栅内的运动轨迹和速度。通过与实验结果的比较发现:在利用Lagrangian法计算固体粒子的运动特性时, 对于尺寸比较大的粒子可以不考虑边界层的影响, 而对于尺寸比较小的粒子则需考虑边界层的影响。      

轴对称激波诱导矢量喷管三维两相流数值模拟

运用颗粒轨道模型对轴对称激波诱导矢量喷管内流场进行了数值模拟,并与纯气相条件下的计算结果进行了对比分析,研究了1～30μm不同直径颗粒的运动轨迹和内流场参数的分布特征,并对矢量喷管的推力性能进行了研究。结果表明,颗粒相的加入对射流推力矢量喷管内流场和推力性能都带来很大影响,影响规律与颗粒直径密切相关。为两相流条件下射流矢量喷管的试验研究提供了一定依据。     

跨音叶栅三维激波损失的改进模型

在低展弦比、低轮毂比的轴流压气机中激波结构常常是三维的。叶尖区域的三维激波损失在整个流场的激波损失中占有十分重要的比例。Ｗｅｎｎｅｒｓｔｒｏｍ和Ｐｕｔｅｒｂａｕｇｈ于１９８４年推出的三维激波损失模型忽略了激波在叶尖区域的流动结构。通过分析叶尖区域的激波结构及其与机匣附面层流动的相互作用,提出了考虑叶尖区域激波与附面层相互作用所引起的激波结构及强度变化的跨音叶栅三维激波损失的改进模型,应用改进模型计算得出的结果和实验结果符合的很好。     

舰船燃气轮机高压涡轮颗粒沉积特性研究

为了探究典型舰船燃气轮机高压涡轮叶栅通道内部的颗粒沉积分布规律,论文以分析随燃气进入涡轮叶栅通道内的颗粒的动力学及颗粒与壁面相互作用的特性为出发点,探究颗粒与涡轮叶片表面撞击后发生黏附与剥离以及沉积与反弹的相互作用准则,在此基础上构建相应的颗粒壁面沉积模型,采用数值模拟方法,建立气-固两相流无量纲方程组,嵌入UDF用户自定义函数,并比较分析临界速度模型和临界黏度模型对于模拟颗粒沉积分布的异同。结果表明,在本文工况条件下,对于临界速度模型而言,叶片表面和下端壁处的颗粒沉积效率都在动量Stokes数增大到约0.1时开始从100%减小,在动量Stokes数增加到约10后减小到0;上端壁处的颗粒沉积效率在动量Stokes数增加到约1时开始从100%减小,在动量Stokes数增大到约100后减小到0。而对于临界黏度模型而言,叶片表面和下端壁处的颗粒沉积效率随着动量Stokes数的增大而不断增大,二者都在动量Stokes数约为1时达到100%,而上端壁处的沉积效率却先增大后减小,最后再增大,在动量Stokes数约为0.1颗粒沉积效率降低到最小值约为80%,后开始增加到100%。     

Modelling ignition probability with pairwise mixing-reaction model for flame particle tracking

Reduced order models for ignition analysis can offer insights into ignition processes and facilitate the combustor optimization. In this study, a Pairwise Mixing-Reaction (PMR) model is formulated to model the interaction between the flame particle and the surrounding cell mixture during Lagrangian flame particle tracking. Specifically, the model accounts for the two-way coupling of mass and energy between the flame particle and the surrounding shell layer by modelling the corresponding turbulent mixing, chemical reaction and evaporation process if present. The state of a flame particle, e.g., burnt, hot gas or extinguished, is determined based on particle temperature. This model can properly describe the ignition process with a spark kernel being initiated in a nonflammable region, which is of practical importance in certain turbine engines and has not been rigorously accounted for by the existing models based on the estimation of local Karlovitz number. The model is integrated into an ignition probability analysis platform and is demonstrated for a methane/air bluff-body flame with the flow and fuel/air mixing characteristics being extracted from a non-reacting simulation. The results show that for the spark location being at the extreme fuel-lean outer shear layer of the recirculation zone, PMR can yield ignition events with a significant number of active flame particles. The mechanisms for the survival of the initial flame particles and the entrainment of the survived flame particles into the recirculation zone are analyzed. The results also show that the ignition probability map from PMR agrees well with the experimental observation: a high ignition probability in the shear layer of the recirculation zone near the mean stoichiometric surface, and low ignition probabilities inside the recirculation zone and the top stagnation region of the recirculation zone. The parametric study shows that the predicted shape of the ignition progress factor and ignition probability is in general insensitive to the model parameters and the model is adequate for quantifying the regions with high ignition probabilities.     

双补燃室固冲凝聚相颗粒分布对比试验研究

针对固冲发动机燃烧效率较低以及凝相粒子分布规律不清楚的现状，本文建立了一套评价固冲发动机燃烧效率的双补燃室试验装置和研究凝相颗粒分布的取样装置。对比研究了结构相同的补燃室内的参数，其误差小于0.5%，说明该装置可以用于精确对比不同补燃室的燃烧效率。然后应用该装置完成了补燃室长度分别为600mm、800mm、1000mm，进气角度分别为30°、45°、60°的对比试验，分析了粒子的粒度分布规律和化学成分变化规律，该规律与数值分析的规律相同。试验结果表明：在进气角度不变情况下，补燃室长度增加有利于提高燃烧效率，燃烧室压强提高，凝相粒子直径明显减小，B粒子燃烧更充分；在补燃室长度为1000mm的情况下，进气角度增加有利于燃烧效率增加，燃烧室压强提高，粒子直径减小，B粒子燃烧更充分。双补燃室发动机是评价补燃室燃烧效率的有效装置，粒度分布和燃烧产物的化学成分有助于补燃室结构设计。