整体式粒子分离器性能的试验研究

为了探索整体式进气粒子分离器(IPS)分离效率的变化规律,针对两种具有不同型面曲率的整体式粒子分离器的三维结构模型开展试验,重点研究了主流路流量、扫气比(SCR)、进口马赫数、进口砂粒浓度和分离器间距对粒子分离器性能的影响规律。实验结果表明:(1)对于不同粒径砂粒,两种模型分离效率均出现随着主流路流量增大而减小的趋势,其中在主流路流量相同的情况下,型面变化平缓的模型分离性能要优于型面变化剧烈的模型;(2)两种整体式粒子分离器模型的分离效率均随扫气比的增大呈现先增大后减小的变化,且这种规律与砂粒粒径无关;(3)随着进口马赫数的增大,两种整体式粒子分离器模型分离效率均仅出现小幅度减小,但在同一进口马赫数下,两种模型分离效率差异显著,最大达到6.54%;(4)采用C级砂时,可以认为粒子浓度对粒子分离器的分离效率没有影响;(5)当分离器轴向间距减小或径向偏离轴线间距减小时,粒子分离器模型的分离效率将出现不同幅度增大。     

吹积炭孔面积对双级旋流器出口流场影响试验

采用粒子图像测速仪（PIV）试验研究了喷嘴套吹积炭孔面积对双级旋流器出口流场的影响.试验结果表明:随着吹积炭孔面积与双级旋流器开孔面积之比由0增大到0.24,回流速度下降,进入双级旋流器内部的回流气量减小.当吹积炭孔面积与双级旋流器开孔面积之比大于等于0.18,吹积炭气流会扰乱双级旋流器出口附近流场,破坏双级旋流器出口对称的双涡结构,吹积炭气流对双级旋流器出口流场的影响范围为X/D=0~0.8.      

3旋流燃烧室头部冷态流场数值计算与试验验证

为了探究单管燃烧室壁面开设光学观察窗与3维倾斜冷却孔对燃烧室冷态头部流场结构的影响规律,利用CFD软件对某型发动机单头部燃烧室结构及简化结构的流场特性进行数值计算,并利用粒子测速仪（PIV）对开设光学观察窗的单管燃烧室头部冷态流场进行了试验验证。结果表明：单管燃烧室冷态流场数值计算结果与PIV测量结果基本相同,验证了数值计算的准确性。燃烧室进口空气流量的增加不影响燃烧室回流区的大小;单管燃烧室壁面冷却孔的布置位置对冷态流场中心回流区几乎无影响;在单管燃烧室水平方向壁面上开设光学观察窗,对水平方向的回流区影响较大,而垂直平面上的回流区几乎不受影响。     

折流燃烧室燃烧流场大涡模拟

为深入了解航空发动机折流燃烧室内部复杂流场结构，对一种带有离心甩油盘的单头部环形折流燃烧室冷热态流场进行大涡模拟。数值计算模拟了从启动状态到稳定燃烧状态的完整非稳态过程，获得了该燃烧室流量分配、压力损失等参数以及冷热态流场结构。数值计算结果表明：（1）冷热态下燃烧区流场结构分为主回流区和次回流区两部分，主回流区冷态时呈现多涡结构，热态时回流区形状受燃油射流影响呈现对称的双涡结构；（2）燃烧室中各涡团结构由各进气孔射流相互作用形成，涡团结构促进燃烧室内部的能量和质量交换；（3）热态时燃烧室前后涡流板周围存在两个稳定的点火源。     

贫油预混预蒸发低污染燃烧室流场特性试验

采用粒子图像测速(PIV)技术测量带双环旋流多点燃油直接喷射(TAMI)头部的贫油预混预蒸发(LPP)低污染燃烧室流场特性,试验相同进口条件下冷态及喷雾燃烧时流场结构,通过分析平均流场涡量、湍流强度及切应变率等特性参数来详细说明喷雾燃烧对贫油预混预蒸发(LPP)低污染燃烧室流场的影响,并且研究了不同进口参数对其燃烧流场的影响.试验结果表明:①装有此头部的LPP低污染燃烧室喷雾燃烧流场回流区比冷态流场要小,并且平均流场特性参数在燃烧前后变化比较大;②随着进口油气比增加,中心回流区变短变胖;③随着进口空气量增加,回流区变窄变长.本试验所获得的流场特性结果可为低污染燃烧室的设计提供了一定的参考.      

应用PIV技术测试模型环形燃烧室流场

采用粒子图像测速仪(PIV)测量带双级旋流器模型环形燃烧室内冷态和燃烧流场,试验研究不同进口气流温度对其冷态和燃烧流场内回流区的形成以及气流速度分布的影响,试验结果表明:燃烧室燃烧流场内回流区长度要比冷态流场短,燃烧流场的脉动速度明显大于冷态流场;另外随着进口气流温度增加,燃烧室冷态和燃烧流场的回流区长度都稍有减少.      

不同压力下微秒脉冲表面介质阻挡放电流场实验

采用粒子图像测速（PIV）技术,在不同空气压力条件下,测量了微秒脉冲等离子体气动激励诱导流场的演化过程,分析了不同压力下的流场启动涡、流场结构和壁面射流.根据实验数据计算研究了诱导力随压力变化的空间分布趋势.实验结果表明:常压下和5500Pa压力下产生一个启动涡,19000Pa和11700Pa压力下产生两个启动涡.稳定流场结构随压力减少分别为L型、∽型和V型.压力减小,诱导流场对等离子体气动激励的响应时间减少,射流切向距离变短,距壁面法向距离增加.最大诱导力随压力降低减小,x坐标逐渐向表面介质阻挡放电（SDBD）激励器靠近.      

空调器室外机轴流风机内部流动的PIV研究

采用粒子图像测速仪PIV,对具有半管道式结构特点的空调器室外机轴流风机内部流场进行了实验研究,并结合实验结果分析了叶片顶部的叶尖涡和叶片出口尾缘涡的流动特性。实验结果显示在轴流风机流道内部叶顶区域存在与叶轮旋转方向相反的叶尖涡结构。叶尖涡产生于叶片前缘叶顶近吸力面侧,在流道内部与主流发生干涉后朝向周向和出口传播并逐渐耗散。叶尖涡涡心轨迹与叶顶弦长方向的夹角为10°,在叶高方向上叶尖涡的径向位置并不固定。与普通管道内部流动不同,叶片顶部与导风罩间的间隙中未捕捉到明显的叶顶泄漏涡现象。叶片出口近尾缘处30％以上叶高明显捕捉到尾缘涡结构,叶片压力面和吸力面侧的径向速度存在明显的方向变化,切向速度在尾迹区增加。     

激波诱导轴对称气动矢量喷管流场数值模拟

在落压比3～10,次流相对流量比2.5%～20%工况下,采用RNGk-ε湍流模型对扩张段开缝的激波诱导轴对称气动矢量喷管试验件进行了数值模拟.结果表明:壁面静压分布计算值和试验数据相对误差不大于10.1%.次流的注入使得气动矢量喷管内流流动非常复杂,流场结构的主要特征是在扩张段有一对旋向相反的主分离涡与射流角涡和一个位于次流与出口截面之间较大的回流区.流场结构随着落压比和次流相对流量比的变化而改变.      

矩形蜗壳内三维紊流场的热线测量

在3个不同流量工况, 对矩形蜗壳内三维紊流流场进行了测量。结果表明, 在矩形蜗壳进口突变截面两侧壁的角区存在有回流区。在回流区中紊动能和雷诺应力明显大于中间截面主流区中的值。随着试验流量的增加, 回流区减小, 紊动能和雷诺应力很快下降。在同一流量工况, 随着半径增加, 紊动能和雷诺应力减小。在蜗壳圆周方面的不同横截面上存在有大旋涡, 气体在蜗壳中按螺旋管线运动。      

带扫气蜗壳的整体式惯性粒子分离器仿真

对一种带有扫气蜗壳的整体式惯性粒子分离器进行了仿真研究,获得了该粒子分离器的流动及粒子分离特性.结果表明:原型方案中粒子分离器扫气通道顶部和底部流动不畅,使得扫气蜗壳不能周向均匀进气并且局部出现倒流.当扫气比为19%时,主流道出口截面总压恢复系数为0.982,AC砂和C砂分离效率较差,分别为64.8%和76.6%.而在扫气蜗壳内收集管上游加装隔板后,其进气特性的周向均匀性及蜗壳内旋涡结构得到改善,粒子分离效率也得到显著提高:相同扫气比下,AC砂和C砂的分离效率分别提高了18.1%和20.9%,且主流道出口截面的总压恢复系数基本不下降.      

直升机/粒子分离器一体化流场特性: 第二部分 桨盘载荷的影响

采用等效盘模型与全三维黏性仿真相结合的方法,对旋翼下洗流干扰下直升机/粒子分离器的一体化流场特性进行了仿真研究.验证了ROBIN(rotor body interaction)模型,对类“阿帕奇”直升机/粒子分离器进行了大、小前进比时不同桨盘载荷下的一体化流场特性仿真,并对比了一体化条件、孤立条件下粒子分离器工作特性差异.结果表明:小前进比时下洗流对粒子分离器进口的分离流结构影响较大,且下洗流携带动能的叠加使得一体化条件下扫气流出口的总压损失反而比独立粒子分离器低;较大前进比状态下,下洗流干扰使得齿轮箱外罩鼓包后的分离区位置向两侧偏移,范围相比无桨盘载荷状态有所扩大,不过其对粒子分离器气动性能参数的影响并不明显.      

直升机/粒子分离器一体化流场特性: 第一部分 前进比的影响

针对典型布局条件下直升机/粒子分离器的一体化流动特性进行了仿真研究.利用相关试验数据对仿真方法的有效性进行了检验,将整体式粒子分离器安装至类“阿帕奇”直升机外型上,形成了一种典型直升机/粒子分离器布局方案,并分析了其在不同前进比下的一体化流场特性.结果表明:较高前进比下,在粒子分离器进口上游的齿轮箱外罩上出现了复杂的三维流动分离,使得粒子分离器在较不均匀的进口来流条件下工作.与独立粒子分离器状态相比,一体化条件下粒子分离器主流出口、扫气流出口的总压损失均有所加大,增幅分别为1%和8%.      

粒子撞击树脂涂层/铝/合金钢板的反弹特性试验

为了精准探索直升机进气粒子分离器性能,研究了砂粒撞击不同壁面材料的反弹特性。采用粒径为600～800μm的砂粒撞击树脂涂层/铝/合金钢板开展试验探究。设计的试验系统可实现单颗粒子撞击板面。撞击角度在10°～80°范围内变化,撞击前后的速度矢量由高速摄影仪拍摄获得。结果表明:撞击树脂涂层板时,法向恢复系数要高于撞击铝板及合金钢板的法向恢复系数。切向恢复系数主要受摩擦力的影响。同时由于阴影效应的影响,在接近切向/法向撞击时,切向/法向恢复系数分别出现大于1的现象。不同扫气比（SCR）下,应用砂粒撞击铝板的切向/法向恢复系数对粒子分离器进行数值模拟的分离效率与已有的分离器试验结果最接近。      

基于混合优化算法的无叶片粒子分离器优化设计

将混合优化算法引入粒子分离器优化设计,减小粒子分离器流动损失并简化结构.利用四次样条曲线参数化描述粒子分离器模型,建立粒子分离器自动化仿真流程.采用优化拉丁方实验设计方法获取样本点并建立椭球径向基函数神经网络代理模型,基于该模型使用非支配排序遗传算法进行全局多目标优化,最后采用序列二次规划算法进行局部优化,得到了粗砂分离效率达到100%、细砂分离效率达到86.7%,总压损失小于0.6%、出口总压畸变较小的设计方案.      

可压流条件下凹腔驻涡流动试验

针对几何因素和气动因素对凹腔驻涡流动的影响进行了研究.试验研究了改变凹腔的高长比、射流孔位置和主流进气角度等对凹腔驻涡流动的影响,研究了改变主次流进口流速等气动因素对凹腔流动的影响.总压损失采用总压探针测量,速度场采用粒子图像测速仪(PIV)测量.试验结果表明:①两股射流在中部和底部喷射时均能产生大尺度涡结构,在中部喷射时产生一对旋向相反的涡对,在底部喷射时产生单涡.②在中部喷射情况下,增加主流马赫数和主流进气角度,凹腔上部空间的涡度增强.③主流进口马赫数增加,试验件的总压损失显著增加.      

不同进口条件对OGV/ 前置扩压器流场大涡 模拟结果的影响

为了研究不同进口条件对压气机出口导向叶片(Outlet Guide Vane,OGV)/前置扩压器流场性能的影响,分别采用合成涡方法与白噪声方法生成进口条件,研究不同进口条件对流场数值模拟结果的影响,并与文献给出的试验结果进行对比。结果表明:采用合成涡方法生成的进口速度场满足试验测得的时均速度分布与脉动均方根分布,且其生成的进口湍流结构可传播到下游较远处;合成涡方法能够较好地预测OGV内的流场,与白噪声方法相比,所预测的OGV吸力面分离区较小;在OGV出口截面、扩压器内和扩压器出口截面,采用2种方法得到的速度分布相差不大,与试验相比分布趋势相同。     

吸水室内部流动的粒子图像测速试验

介绍了粒子图像测速(PIV)系统、泵试验装置和试验方案.利用PIV技术,对5种流量下泵吸水室内部流场进行试验研究,获得了速度矢量分布,计算得到吸水室出口断面特征参数和入口断面上的瞬时体积流量.结果表明,吸水室入口处速度分布较为均匀,出口处速度分布不均匀,且有偏流现象存在;在所研究的范围内,随着流量的增加,出口断面轴向速度分布均匀度提高,速度加权平均偏流角减小;吸水室内的瞬时体积流量存在明显的脉动特征,在较长时间内,呈正态分布,相对脉动幅值在6%之内,其平均值与涡轮流量计所测值相一致.PIV技术可用于瞬时体积流量的测量以及流场非稳态特性的研究.      

基于概率反弹碰撞模型的进气粒子分离器两相流数值模拟

通过5点Gauss-Hermite积分拟合粒子与固壁碰撞后,反弹速度和角度的概率密度分布试验数据,建立粒子与固体碰撞/概率反弹模型.将该模型应用于直升机用整体式预旋与非预旋进气粒子分离器气固两相流场数值模拟,并与另外两种常用的粒子与固壁碰撞反弹模型(平均恢复系数模型、完全弹性碰撞模型)的计算结果进行了对比.结果表明:上述3种碰撞模型都能较好地预测AC粗砂的分离效率；对于C级砂,基于完全弹性碰撞模型的预测结果则过低；基于平均恢复系数模型的预测结果明显偏高,有预旋时尤其明显；而基于概率反弹模型的预测结果处于两者之间,与试验结果吻合更好.