某风扇/增压级非设计点性能计算及进气畸变影响分析

在原流线曲率法程序的基础上, 增加了适用于高速风扇/压气机的双激波损失模型.真实地反映了高速风扇/压气机的实际工作状况, 提高了预测高速风扇/压气机非设计点性能的准确性, 完善了分析进气畸变对风扇/压气机性能及稳定性影响的准三维计算模型.针对一台外涵转子叶尖马赫数大于1.4的大涵道比风扇/增压级, 计算分析了其非设计点性能以及进气畸变的影响.计算结果与试验结果吻合较好, 精度可靠, 可应用于工程实际.      

高负荷风扇气动设计——转子叶尖参数选取分析

利用叶尖基元模型计算分析了高负荷风扇转子叶尖的关键气动设计参数,重点考察了进口轴向马赫数、激波前马赫数在不同切线速度下对基元等熵效率和总压比的影响.在Schreiber的跨声叶栅试验结果的基础上,拟合了正激波损失占基元整体损失的比例关系,用于修正模型计算得到的结果.用修正后的基元等熵效率为约束,进一步分析了转子叶尖激波前马赫数的限制值,得到了相应的叶尖基元可用总压比.完善并提供了一种简单估算高负荷跨声风扇转子叶尖性能的方法,用于指导实际工程设计.     

静子开缝高度对高负荷两级风扇性能的影响

为了研究静子开缝高度对高负荷风扇性能的影响，根据风扇的流动特点，设计了在第二级静子叶根处开缝的流动控制方案，并提出了多种不同缝隙高度的静子开缝方案，通过计算对采取各种方案下的流场进行了分析。研究表明，缝隙射流可阻断静子吸力面气流的径向流动，吹除缝隙出口后的低速气流，从而达到扩稳的目的，设计转速下方案A的风扇稳定工作范围扩大了7.1%；在不同工况下静子开缝对角区气流分离和流动损失均有一定的控制效果，而在堵塞工况下，由于静子通道内流动分离较小，开缝射流的优点没有得到充分体现；在所研究的范围内，当开缝高度较低时，缝隙射流对角区分离和流动损失的控制能力较弱，而开缝高度的增加对控制叶根角区气流分离有利，对控制较大叶高处吸力面的气流分离不利。     

大涵道比风扇/增压级进气畸变数值模拟研究

为探究进口总压畸变下大涵道比风扇/增压级内部流场的主要特征，基于三维彻体力模型的思想，开发了一套能够实现风扇/增压级内外涵联算功能的三维数值计算程序。利用该程序模拟了某大涵道比风扇/增压级在周向总压畸变进气下的三维流场。计算结果表明：大涵道比风扇单转子不同叶高处的畸变传递特征差异较大，转子出口总压畸变强度由叶根到叶尖逐渐降低，在叶尖处衰减为最小值1.5%；在转子出口相应诱导出的总温畸变强度由叶根到叶尖逐渐升高，在叶尖处达到最大值1.4%；进口周向总压畸变导致风扇转子总压比下降0.5%，而风扇转子出口形成的总压总温复合畸变导致增压级总压比下降2%；总压畸变在增压级中呈逐级衰减趋势，而高温畸变区的周向范围在逐级增加。     

进气径向畸变对燃烧室性能影响研究与预测

针对燃气轮机在实际运行过程中燃烧室进口速度分布不均匀问题，采用数值模拟方法对直流环形燃烧室开展数值模拟 计算，分析了不同进气速度畸变位置与畸变强度下燃烧室的流场与温度分布特性，并给出了一种畸变条件下燃烧室性能预测模 型。结果表明：不同进气速度径向畸变位置与畸变强度对扩压器内和机匣前段流场形态影响较大，燃烧室空气分配比例改变，温 度分布有所差异。燃烧室工况改变对空气分配比例、燃烧效率和总压损失的影响不大。进气速度畸变对燃烧效率影响不大，主要 影响到总压损失的变化。随着畸变程度提高，空气分配比例变化明显，总压损失随之增大。进气畸变对燃烧室出口温度分布的影 响规律较为复杂，影响程度与进气畸变的不均匀度、畸变形式和工况密切相关，变化范围为-30%~20%。在此基础上，给出了适用 于进气径向畸变条件下的燃烧室部件特性预测模型，经验证预测模型的误差在3.5%以下。     

跨声速压气机转子叶尖非定常流动的数值模拟

为了进一步加深对转子叶尖区域非定常流动现象的认识，针对某一跨声速单转子轴流压气机，采用三维非定常数值方法开展了详细研究。对单转子在不同进气条件以及不同工作流量下分别进行非定常模拟，来研究该转子叶尖区域复杂流动结构以及叶尖非定常流动的发展过程。结果表明:不同进气条件下，转子叶尖区域流场结构形式表现不同.当进口非轴向进气时，叶尖非定常流动呈单通道周期形式；而轴向进气时，叶尖区域出现了类似于“旋转不稳定”的沿周向传播的非定常流动现象，且随着工作流量的减小，叶尖区域流场结构也相应发生改变.      

轴流压气机特性计算及激波模型研究

为快速准确预估轴流压气机特性和激波损失,基于轴流压气机S2流面流线曲率法,分别采用正激波模型和改进的双激波模型,对某型2级跨声速风扇特性进行数值模拟计算,得到了100%设计转速近设计点与99.76%设计转速近堵塞点的总体性能和气动参数,以及95%、100%和110%设计转速的特性曲线。通过将计算结果与试验数据进行对比,分析研究了各激波损失模型在激波损失预估和风扇/压气机特性计算方面的差异。分析结果表明:在跨声速风扇/压气机近设计点激波损失和特性参数的计算中,正激波模型损失径向分布计算结果接近试验值,总压比和总效率计算值分别较试验值约低1.96%和2.54%,模型能够满足工程需要。而在近堵塞点,改进的双激波模型总损失计算值更接近试验值,总压比计算值和试验值很吻合,总效率计算值比试验值约高7.28%。改进双激波模型的不同转速线效率特性曲线也明显更接近试验值,模型能够较准确地预测远离设计点激波损失和特性参数。     

船舶燃气轮机进气系统中过滤装置数值模型化处理方法研究

为了研究船舶燃气轮机进气系统中,过滤装置数值模型化处理方法的模拟精度及其适用性。针对一种双通道船舶燃气轮机进气系统,分别采用Fan边界和多孔介质模型方法对过滤装置（百叶窗、滤清器）的复杂结构进行处理,开展进气系统内流场特性的详细数值计算研究。结果表明：进气系统大部分总压损失源于燃烧空气滤清器产生的总压损失和竖井中的流动损失;与Fan边界相比,多孔介质模型方法能够获得更贴合实际的进气系统流场,对系统总压损失的预测更具可靠性;两种方法计算出的进气系统流动损失相差不超过10%;使用Fan边界需保证过滤装置不产生明显的整流作用,且压力损失实验数据完备,而选用多孔介质模型需要已知过滤装置阻力系数、孔隙率等物理参数。     

损失及落后角代理模型在多级轴流压气机特性预测中的应用

为了提高轴流压气机设计能力,进而提高发动机的特性,需要掌握一种能够较好预测轴流压气机的压比、效率等特性的方法。结合运用三元流动理论和传统损失落后角模型计算出的压气机流场数据,利用正则化径向基函数神经网络取代经验公式搭建了一种新的损失及落后角模型,计算了E3十级高压压气机的特性;并分别研究了不进行正则化和进行正则化对损失及落后角预测的影响与其对压气机效率和压比特性预测的影响。结果表明,在多级压气机中,在训练样本区分转静子、区分转速、区分工况条件下,使用正则化的径向基神经网络代理模型在大部分情况下能够较好地预测损失、落后角及多级压气机整体特性,但是对沿叶高分布的损失及落后角预测能力还有待提高。     

基于“分段-组合”残差神经网络的超声速氢气零维点火计算方法

受限于发动机燃烧数值模拟需要长时间超级计算机运行的问题，发展了一种基于“分段-组合”残差神经网络的氢气零维点火计算方法。以氢气零维点火算例为基础，基于自主研发的高超声速内外流耦合数值模拟软件AHL3D构建数据集。数据集中输入变量为超声速工况下的温度、压强及8种组分质量分数的初始状态值，输出变量为3000个时刻点的温度、压强及8种组分质量分数状态值。构建了一种“分段”训练、“组合”预测的残差神经网络框架。算法首先将高维输入数据进行降维训练，再将“分段”模型预测后的参数冻结形成“组合”模型。与氢燃料直接计算相比，实验结果表明“分段-组合”残差神经网络可显著提升计算效率，对于11组分29反应的反应动力学模型可获得9.13倍的计算加速比，均方根误差降到了7.85×10-5，氢燃料参数的预测精度都高于98%，计算效率及精度优于现有的神经网络燃烧计算方法。     

基于实测数据的航空发动机转子叶尖装配间隙预测

以多级转静子装配过程为研究对象，基于空间几何变换理论及形位公差理论，提出了一种多级转子叶尖间隙预测方法。具体是将转静子系统分为转子、静子、支承等3个子系统，分别针对子系统建立装配偏差子模型，进一步将各模型进行坐标统一，以配合面的实测偏差数据作为输入量，计算同一轴向位置处的转子叶尖坐标及机匣坐标，从而计算出转子叶尖间隙。试验结果表明，采用所述间隙预测模型，可准确预测转子叶尖间隙，预测最大相对误差为11%，从而为装配质量分析提供了参考依据。     

真实进气条件下发动机稳定裕度损失评估

为了确定航空发动机压缩系统在进气总压畸变条件下的稳定裕度损失，开展了基于平行压气机模型的稳定裕度损失评估方法研究。通过对试飞中实测的总压畸变图谱进行等效转换，转换结果作为平行压气机模型的输入，得到畸变条件下压缩系统的稳定边界，再通过试飞数据确定压缩系统的流量，从而确定畸变时刻压缩系统的稳定裕度损失。对某型涡扇发动机进行计算，得到周向总压畸变强度为3.3%时风扇的稳定裕度损失为3.8%。通过对两种不同畸变强度的周向总压畸变的计算结果的对比，表明该方法可用于确定总压畸变条件下的稳定裕度损失。     

基于机器学习方法的压气机落后角与总压损失预测代理模型

为了提高压气机特性预测的精度，基于机器学习方法构建预测落后角与总压损失的代理模型。以一台两级压气机为研究对象，基于多个转速工况下的流场实验数据和叶片几何参数建立了基元叶型数据库。通过灵敏度分析方法筛选出对落后角和总压损失影响最大的输入参数，分别采用高斯过程回归和人工神经网络两种机器学习算法建立落后角与总压损失模型，并引入贝叶斯优化算法搜索最佳模型超参数。对于人工神经网络面临的优化问题和泛化问题，调整模型学习率和修正参数梯度以加速收敛，同时采用正则化方法增强模型泛化能力。模型训练过程采用交叉验证策略以降低过拟合风险，并将优化后的代理模型整合到通流程序中对压气机进行特性预测验证。对比表明，低转速工况代理模型的压比特性预测误差显著低于经验模型，其中人工神经网络建模改善最明显，相比经验模型预测误差降低了0.1。通过代理模型横向对比，基于人工神经网络建立的代理模型比基于高斯过程的代理模型预测精度更高且鲁棒性更强。     

基于神经网络模型的动态非线性气动力辨识方法

 在标准径向基函数（RBF）神经网络模型的基础上发展了带输出反馈的RBF神经网络。将计算流体力学(CFD)方法计算的时域气动载荷作为输入信号,建立跨声速非定常非线性气动力模型,并进一步运用CFD方法验证模型的精度。算例表明带输出反馈的RBF神经网络较标准RBF神经网络精度更高,能更准确描述跨声速激波大幅振荡时的非线性和非定常特性,并可推广用于多自由度运动的动态非线性气动力建模。用多级信号训练,预测简谐信号输入下的气动力算例表明带输出反馈的RBF神经网络能够预测不同振幅、不同频率的信号激励下的非线性气动力。     

单级轴流压气机纯音噪声实验与数值分析

为了探索转/静干涉纯音噪声与静子前缘上洗速度之间的对应关系，使用已发展的风扇纯音噪声混合预测方法对一台单级、低速压气机实验台（TA36）节流过程中的转/静干涉纯音噪声进行了预测，并与实验结果进行了对比验证。为了准确获取作为转/静干涉纯音噪声声源的静子叶片表面非定常压力脉动，首先比较了不同计算网格与时间步长设置对叶片表面非定常压力脉动计算的影响。随后，比较了静子叶片来流上洗速度和纯音噪声随质量流量的变化规律。研究表明：设计转速下，静子前缘70%、80%以及90%叶高的3阶叶片通过频率处的上洗速度幅值随质量流量的变化规律与混合预测方法估计的进气管道壁面声压级的变化趋势一致，并且与实验测量值的变化规律也保持了良好的一致性。此外，管道外远场声压级指向性的结果也表明：该实验台远场声辐射具有明显的指向性，并且不会随着节流过程产生明显的变化。     

涡扇发动机整机环境下风扇部件气动稳定性评定方法

将基于部件匹配技术的涡扇发动机非设计点性能计算模型和基于李亚普诺夫稳定性理论的压缩部件气动稳定性评定模型有机的耦合, 实现了发动机整机环境下的压缩部件气动稳定性评定, 使得该模型成为一种实用的涡扇发动机压缩部件气动稳定性分析模型.以某型涡扇发动机为例, 计算比较了均匀进气和畸变进气时发动机整机环境和单独部件评定时风扇部件稳定工作边界的异同, 从计算结果可以看到, 均匀进气条件下, 在发动机环境下和单独部件环境下所得到的风扇部件稳定工作边界变化不大;而畸变进气条件下, 同样的进口畸变度, 发动机环境下风扇的稳定裕度损失比单独部件下风扇的稳定裕度损失都小, 即在发动机环境下评定风扇稳定性时, 风扇对进气温度畸变不敏感, 而在单独部件环境下评定时, 风扇对进气畸变比较敏感.      

神经网络宽度对燃烧室排放预测的影响

为研究神经网络宽度对航空发动机燃烧室排放预测的影响，基于录取的全环燃烧室排放试验数据，构建了以燃烧室进口空气温度、进口空气压力、供油流量和油气比为输入，CO和NOx排放指数为输出的神经网络预测模型，确定了最优网络宽度。结果表明，存在一个最优的网络宽度值，使得神经网络预测模型的拟合优度和预测精度达到最佳，本文最优的网络宽度为24。通过拟合优度、误差分析和敏感性分析验证了构建的神经网络模型的准确性和泛化性。基于最优网络宽度的神经网络预测模型能够很好地挖掘输入参数与排放指数之间的映射关系，可作为给定工况参数下燃烧室排放预测工具。最后，基于敏感性分析，结合燃烧物理机理和试验现象对构建的神经网络可解释性进行了探讨。     

多级轴流压气机彻体力模型——理论方法及简化应用

基于时间推进技术及有限体积法,将彻体力模型与基元叶栅法的思想相结合,提出了一个适用于预测大尺度进气畸变对多级轴流压气机气动性能及稳定性影响的三维数值计算模型。在进气条件轴对称的前提下,利用相应的简化模型重点分析了一台四级轴流压气机在均匀进气及叶尖径向总压畸变进气下的内部流场特征。均匀进气下的模型计算结果与相关试验结果相吻合。叶尖径向总压畸变进气下模型的计算结果表明:径向畸变在压气机流道内会发生显著的径向掺混作用,叶尖径向总压畸变对该压气机稳定性有显著恶化影响,随着畸变强度的增加,压气机稳定边界逐步下降。计算结果支持了该模型用于预测径向进气畸变影响的可能。     

跨声轴流压气机弯曲静叶出口三维流场测量

利用小型五孔探针测量了不同工况下单级跨声轴流压气机弯曲静叶出口三维流场。结果表明,静子出口有明显的尾迹特性,其对后排叶片的影响不容忽视。静叶角度调节对静子叶片出口气流角及尾迹形状有较大的影响。弯曲叶片对端壁角区低能流体具有径向迁徙作用,有利于提高压气机扩压能力。叶尖、叶根及静叶吸力面侧尾迹区,是高阻滞、高损失、高涡量区。径向速度在叶根及叶尖呈现较大的周向不均匀度,切向速度、轴向速度在叶根也存在较大的周向不均匀度。     

径向进气轴向出流旋转盘腔总压损失特性研究

在径向进气轴向出流的旋转盘腔中,在哥氏力的影响下,流体速度的切向分量和流体的总压损失均增大,用数值计算方法研究其损失特性缺乏验证。采用试验方法研究了径向进气轴向出流旋转盘腔的压力损失特性,测试了不同工况下的旋转盘腔的进、出口总压,分析了流量系数和旋转雷诺数对径向进气旋转盘腔总压损失的影响规律。试验结果表明：旋转盘腔的总压损失随旋转雷诺数的增大而增大。随流量系数的变化规律较复杂,在较小旋转雷诺数下,总压损失随流量系数的增大而增大;在较大旋转雷诺数下,总压损失随流量系数的增大先减小后增大。