叶栅式反推力装置开启过程的三维非稳态数值模拟与分析

针对涵道比为8的涡扇发动机叶栅式反推力装置，计算分析了反推力装置运动部件在不同运动控制规律下的开启过程对外涵流场、风扇背压、阻流门受力等影响。结果表明:在反推力装置开启过程总时间一定时，随着阻流门开始旋转的时间点向后推移，风扇背压的脉动强度增大，而阻流门受到的气动载荷会减小，存在折中的阻流门开始旋转时间点，即移动外罩开启1/3后阻流门开始旋转；开启反推力装置总时间变化对风扇背压脉动强度和阻流门受力的影响较小；紧急停飞状态下开启反推力装置，风扇背压脉动强度最大值达到20%，超过允许值，而阻流门所受到的最大气动载荷达到4500N，相当于正常开启反推力状态下的4倍以上。      

叶栅式反推力装置阻流门运动规律对气动性能的影响

在分析叶栅式反推力装置结构及工作原理的基础上,通过计算初步研究了反推力装置运动规律对风扇出口及阻流门上气动载荷的影响.计算结果表明,反推力装置打开时,运动规律直接影响风扇在反推力装置打开/关闭过程中工作点位置,运动规律3,4分别适合风扇外涵喘振裕度较大、较小发动机的反推力装置选用;各运动规律中,阻流门气动载荷在阻流门开始转动瞬间加载.      

反推力装置运动学与动力学仿真

为了研究叶栅式反推力装置各部件在工作过程中的运动学与动力学特性,根据机构运动原理对反推力装置进行简化并建立了运动学与动力学数学模型。以滑动整流罩位移与阻流门所受气动负荷为输入进行运动学与动力学仿真,得到了反推力装置各部件的位移、速度及受力特性曲线,并对比分析了在不同尺寸参数下各部件特征点的运动轨迹和反推力装置负载力变化。结果表明:运动学及动力学仿真结果与工程实际相符；反推力装置机构参数选择不合理时,各设计点会发生干涉现象并导致机构无法运动;机构参数变化对负载力最大值影响尤为突出,在阻流门AC段长度值增大6%,阻流门CB段长度值减小9%的情况下,负载力正向最大值将增大19.53%,负向最大值增大12.67%。研究方法及研究结果可为反推力装置运动学及动力学分析,以及为反推力装置机构优化设计提供参考。      

某型飞机反推力装置加载试验

由于反推力系统必须在模拟气动载荷下做试验,以验证反推力系统功能的安全可靠性。因此在液压系统地面模拟试验中需配置一套反推力装置加载系统,以实现对反推力在展开和收起过程中所受气动载荷的模拟。在简要介绍反推力系统及其加载系统的基础上,主要研究如何完成某型飞机反推力装置加载试验,并满足其性能要求。     

基于双向流固耦合的长叶片气动和强度性能的数值研究

为了研究流固耦合对长叶片气动及强度性能的影响,采用双向流固耦合技术对一典型长叶片进行了详细的数值分析。采用动网格技术和数值求解Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程的方法进行长叶片气动性能分析,耦合长叶片气动性能分析得到的叶片表面压力分布,采用商用软件ANSYS研究了考虑阻尼围带和拉金结构的长叶片的应力和变形特性,利用叶片表面节点位移和气动压力在流固耦合面上保证能量守恒的条件下采用插值传递方法,经过迭代得到稳定的长叶片气动及强度性能。结果表明:耦合前后长叶片表面的静压分布的差异主要集中在上部区域。基于双向流固耦合作用得到的长叶片绝对出口气流角在40%~95%叶高范围内相比于没有考虑流固耦合作用时减小。耦合前长叶片最大位移位置出现在85%叶高处靠近前缘位置。耦合后长叶片的最大位移位置由前缘移向尾缘,最大位移值由3.471mm减小到3.082mm。长叶片最大等效应力出现在叶片压力面侧第一级榫齿上表面靠近前缘处。耦合前后应力分布趋势基本不变,最大应力的位置不变。耦合后最大应力值提高0.4%。     

高空飞艇的流固耦合数值研究

发展了一套用于研究高空飞艇在来流作用下的流固耦合数值方法.利用经过验证的自编制的有限元程序来求解飞艇的非线性大变形,利用商业软件FLUENT求解飞艇的外流场,通过非动态交替的方法实现飞艇的流固耦合计算.结果表明:飞艇的柔性变形改变了飞艇周围的流场结构,飞艇表面气动载荷分布发生了较大的改变;由于飞艇表面气动载荷的作用,导致了囊体内外压差的变化,进而导致囊体内的应力随之发生了较大的变化.     

反推力装置结构优化设计

根据叶栅式反推力装置结构及其工作原理,建立了反推力装置运动学与动力学数学模型,以此为基础,取反推力装置对作动系统的最大负载力极小化为目标函数,装置各运动机构满足几何关系为约束条件,建立反推力装置结构优化模型。通过反推力装置运动学及动力学仿真,并分析在不同结构参数下反推力装置运动学及动力学特性,验证了所建立模型的合理性与正确性。在Matlab环境下采用惩罚函数法对反推力装置进行结构优化设计,结果表明：优化后的反推力装置正向最大负载力下降了24.5%,负向最大负载力下降了16.3%,且各个机构运动不出现干涉,整个反推力装置可正常工作。论文建模方法与优化结果可为反推力装置结构设计提供参考。     

叶栅参数对反推力装置气动性能影响规律

针对某型叶栅式反推力装置,开展了气动性能数值预测的研究工作。采用本文提出的数值计算方法,在不同落压比下反推力预测值与实验值最大相差8．2％。流场速度等值线分布展示反推力装置叶栅内部流动特征．叶栅叶盆处的旋涡和叶背处的失速是导致气动性能下降的不利因素。大量数值计算结果揭示了叶片进入角、出流角、稠度等结构参数对轴向反推力、流量系数、总压恢复系数的影响规律。在本研究范围内,叶片进入角54°、出流角135°、稠度1.3的叶栅几何结构综合气动性能最优。     

双S弯喷管的流固耦合特性研究

为了明晰S弯喷管的流固耦合特性,数值模拟了流固耦合作用下双S弯收敛喷管的结构变形特征及其内/外流特性。结果表明：S弯喷管的圆转方弯曲构型产生了非均匀的流场分布,并增强了结构的弹性特征,它们通过交换气动载荷与变形位移数据形成了S弯喷管流固耦合的作用机理。在气动载荷作用下,S弯喷管沿Y向的最大变形位移为25.3mm,它位于喷管出口上壁面的中心位置。当喷管的结构变形稳定时,第二弯转弯处下壁面的气流加速至局部超音速,壁面静压大幅降低;第一弯下游上壁面附近形成了气流分离区;喷管出口喷流沿轴向向上偏转。流固耦合作用导致S弯喷管的流量系数减小0.6%,推力系数降低1.8%。矩形截面与弯曲构型是影响S弯喷管流固耦合特性的主要几何特征,其中矩形截面能够显著增大喷管的变形位移;S形弯曲构型虽然能够有效抑制变形特征,但它导致喷管多个区域出现变形,喷管的结构变形分布变得更加复杂。     

气流激励下叶片振动响应分析方法

为开展气流激励下叶片振动响应分析方法研究,建立了气动激振力预估方法,采用非线性谐波法对叶排进行三维非定常流动分析,获得叶片表面的脉动压力,编制流固转换程序,计算叶片所受的气动激振力。建立了叶片气动阻尼分析方法,基于能量法和弱耦合分析法,对叶片与流场进行流固弱耦合分析,将气动力对运动的叶片所做的气动负功等效为黏滞阻尼力所做的功,求得转子叶片的模态气动阻尼比。建立了叶片在气流激励下的振动响应分析方法,基于气动激振力和叶片模态气动阻尼比,采用模态叠加法分析叶片振动响应。使用该方法,针对发动机中1.5级压气机转、静子叶排模型,计算了转子叶片在真实流场中的气动激振力、前8阶模态气动阻尼比以及在气动激振力与气动阻尼共同作用下转子叶片的振动响应,振动应力达到100 MPa。      

风-浪-舰耦合对舰船尾流场及直升机气动的影响

为研究波浪和舰船运动对高海况下舰载直升机起降的影响，建立了一套耦合风-浪-舰和直升机的多相流数值模拟方法。使用动态流体作用模拟舰船运动，采用动量源方法模拟直升机旋翼，对3～6级海况下ONRT舰船摇荡运动时的尾流场非定常气动特性进行了研究，并计算了UH-60A直升机旋翼气动载荷的时间历程。研究表明：6级海况下流场速度分量和旋翼气动载荷的波动达到5级海况的2倍，而3～5级海况之间的差别较小；悬停跟进时直升机不断出没于舰船运动导致的尾流中速度和涡量不同的区域，使得旋翼气动载荷有极强的非定常特性；在6级海况下，旋翼拉力与波浪-舰船耦合运动同周期的波动达到20%,并伴随着穿越尾流剪切层时产生的5～10 Hz的小扰动。     

弹性三角翼的静气动弹性方法研究

静气动弹性问题的研究关键是要解决流固数据耦合的问题，即把气动力从气动网格点插值到结构点，由柔度影响系教法求得结构变形后，再把结构变形插值到气动网格上。本文在O-H网格的基础上，采用Jameson的中心差分有限体积法求解Euler／N—S方程，采用结构影响系数法计算结构的弹性变形，用三角元面积加权法和常体积转换法（CVT）实现流固力的耦合，采用无限平板样条法（IPS）实现位移的耦合。     

考虑流固耦合效应的航空发动机风扇叶片应力数值模拟与试验测量研究

航空发动机风扇转子在高压比、高转速、高负荷的级环境中工作时,存在叶片固体域与流体域之间强烈的耦合作用。针对风扇工作中的流固耦合问题,采用基于流固耦合的数值模拟方法对风扇叶片的结构特性进行模拟,研究考虑流固耦合效应前后叶片结构特性的变化。通过风扇转子加减速试验测量叶片表面测点应力变化,并将数值模拟与试验测量结果进行了对比分析。分析结果表明：考虑流固耦合效应后叶片表面的受力情况变化较大,导致叶片表面的应力与变形分布产生较大的变化;仅考虑离心力作用的计算方法得到的应力值与试验测量值误差最大达到50%,而考虑流固耦合效应的计算值误差在10%左右;考虑叶片流固耦合效应得到的应力分布更满足实际工程应力与强度分析要求。     

整体弹性结构法及在叶片流固耦合分析中的应用

针对三维叶片时域流固耦合振动响应计算普遍耗时的问题,采用一种假设整体结构的模态位移,求解固体时域响应和实现高效网格变形,发展了一种3维时域流固耦合分析的整体弹性结构方法,并应用于压气机叶片0°和180°相位角的气动稳定性分析中。结果表明,所发展方法的计算结果与传统双向时域算法和文献的结果较为吻合,而计算效率相比于传统算法显著提升;在所分析的两个相位角下,叶片振动的气动阻尼均随流量减小先增大后降低,相比于0°相位角,180°下叶片的气动稳定性大幅提高,表明该方法能有效应用于叶片的工程流固耦合研究。     

基于共模型技术的大展弦比飞机气动/结构耦合性设计

在考虑弹性变形情况下,以大展弦比飞翼飞机为例,对气动/结构耦合设计方法进行研究提出了几何/结构/气动的共模型技术.首先是基于共模型技术生成表面气动网格和空间气动网格以及结构有限元网格,并实现气动载荷在结构模型和气动模型间的数据传递,最后进行气动/结构耦合计算分析,在进行气动/结构耦合计算分析时要进行多次迭代,直到结构变...     

叶栅稠密度及进出口气流角对反推性能的影响

导流叶栅几何及气动参数的选取直接关系到叶栅式反推力装置的性能,本文选取冲击式对称叶栅进行数值模拟,采用混合网格生成技术,研究叶栅稠密度、叶片进口气流角和出口气流角对轴向反推力系数和流量系数的影响。计算结果表明,叶栅稠密度在一定范围内变大时,流量系数减小,轴向反推力系数增加;在反推气流不被进气道吸入的情况下,当气流角增大,流量系数变大,轴向反推力系数降低。双曲非等厚叶片的气动性能要好于单曲等厚叶片。     

涡扇发动机配装反推力装置综合影响分析

针对概念设计阶段涡扇发动机开展反推力装置设计的需要,对加装反推力装置对总体性能的综合影响开展了初步分 析。选取大涵道比发动机CFM56为对象建立基准发动机模型,借助克兰菲尔德大学总体性能仿真软件Turbomatch,分析了其对发 动机压缩部件、涡轮及排气系统的性能影响,提出采用流动面积和流动损失作为反推力装置的设计要求。在正、反推力状态下对 发动机推力进行评估,结果表明：理想状态下发动机提供的反推力可达最大起飞推力的50%以上。为了获得涡扇发动机配装反推 力装置的不利影响,建立包括反推力装置在内的推进系统质量评估模型和价格预测模型,利用该模型对质量及成本进行了预测, 结果表明：特定条件下反推力装置的使用会导致推进系统的质量增加12%,价格增长13%。     

点火发动机点火喷流传播过程分析

点火发动机点火喷流沿药柱通道传播过程是一个非常典型的非稳态流固耦合问题。采用流固耦合模拟方法对点火瞬态药柱通道内的流场以及在流场作用下药柱的结构完整性进行流固耦合分析,确定药柱通道各点压力上升产生的原因以及该过程中装药的应力应变情况。仿真结果表明在点火喷流沿药柱通道传播过程中,将出现超压较大的激波结构,造成装药通道内不同位置处出现程度不同的压力振荡;在激波向尾部传播阶段,药柱的应力传播落后于激波传播;在激波的反射阶段,药柱最大应力位于尾部翼槽底部区域。     

大展弦比柔性机翼的结构与气动耦合特性分析

针对人展弦比柔性机翼，本文提出了一种考虑结构与气动相互耦合的静气动弹性分析方法，通过以下迭代过程得到结构变形和气动载荷的稳定状态：采用亚音速面元法年和核函数法计算气动影响系数和翼面升力：采用有限元技术计算结构变形：采用B样条函数实现结构网格变形到气动网格变形的插值；采用载荷等效的二角形方法进行气动载筒和有限元节点载荷的转换。最后，通过一个后掠翼算例计算了柔性下的静气动弹性响应，并与刚性情况进行了对比。     

一种求解低速跨流域流固耦合问题的离散统一气体动理学格式

运动边界及流固耦合问题是低速及高速、连续流域及稀薄流域流动中常面临的多场耦合问题。本文在原始离散统一气体动理学格式基础上，采用任意拉格朗日-欧拉方法及动网格技术，并耦合计算结构动力学，实现适用于低速流动运动边界及流固耦合问题的计算方法。在方法验证方面，进行连续流域圆柱绕流强迫振动和自由振动数值模拟，计算结果与参考文献结果吻合良好，准确捕捉圆柱在锁频区和非锁频区的流动特性。在稀薄流域范围，将方法中的连续流D2Q9离散速度模型替换成跨流域离散速度模型，对比低速圆柱绕流强迫振动算例在两种离散速度模型下的数值结果。虽主要关注低速流动问题，但发展的算法仍具备模拟高超声速运动边界问题的能力，对此进行了Ma=5.0稀薄流振动圆柱研究。低速和高速运动边界模拟能力显示了方法在考虑稀薄气体效应流固耦合问题方面的潜在应用价值。