开式风洞超声速压气机流场起动的数值研究

在开式风洞超声速平面叶栅试验中,从试验启动到叶栅建立超声速流动状态的过程,即超声速流场起动问题,已成为公认的难题。为建立可行的开式风洞超声速流场起动方法,奠定开式超声速风洞的使用基础,基于某超声速风洞,以超声速压气机平面叶栅为研究对象,开展三维数值仿真研究;分析试验条件下超声速流场起动失败的原因,制定三种流场起动方案。结果表明：起动失败的原因为叶栅前缘形成了一道强正激波;仅提高风洞进口总压无法建立叶栅超声速流动状态;仅增大下壁溢流缝宽度可起动超声速叶栅流场,但有效叶栅流道数量减少,壁面附面层增厚;保持上、下壁溢流缝宽度在1 倍栅距以上,在栅前上、下壁设置超声速墙并进行抽吸,可有效起动超声速流场,相邻流道出口马赫数最大波动0.01,出口气流角最大波动0.09°,周期性可满足试验需求。     

超声速涡轮动叶设计方法研究

研究了基于2维等熵特征线理论的超声速涡轮叶栅设计方法,通过编程开发了超声速涡轮转子叶栅设计软件,该软件可根据进、出口马赫数及进口气流角设计出需要的超声速涡轮转子叶栅。在此基础上应用FLUENT详细地分析了涡轮转子叶栅流场。结果表明:该流场分布合理,未出现激波、分离等现象,且在高载荷系数下具有较高效率。     

7孔复合探针在平面叶栅流场测量中的应用

结合流场校测和压气机叶栅试验测试方法的研究工作,应用算术平均、质量平均和掺混均匀法3种数据处理方法,获得了叶栅流场数据,并对数据进行了对比和误差分析,探索了复合探针在叶栅流场测量中的应用范围及条件.试验结果表明:复合探针在跨声速、俯仰角为-15°～15°范围内具有良好的气动特性,3种数据处理方法均可用于平面叶栅流场测量.通过流场校测和叶栅试验,验证了复合探针在流场测量中具有准确性、稳定性和可靠性的特点,其数据处理方法为叶栅流场提供了基础性的测量手段.     

叶栅三维流场的实验研究

本文通过流动显示和详细测量,研究了叶栅中的三维流动。在平面叶栅风洞中,对非平直端壁的大弯度压气机叶栅所完成的测量,包括沿叶高的叶型表面上气流参数分布和叶栅通道中的整个流场。为了进行对比和详细研究端壁效应,还对二维叶栅完成了同样的测量内容。对所观察到的复杂流动现象进行了分析。实验结果还与叶栅全三维无粘流计算进行了对比。本文所获得的完整的三维流场实验数据,为建立叶栅流动模型,研究小展弦比叶栅中气流展向掺混的机理,以及为检验全三维流动计算方法提供了可靠的依据。      

超声速叶型前缘几何形状对叶栅气动性能的影响

应用NURBS技术构造超声速叶型,采用两个控制参数调整叶栅前缘椭圆弧的几何形状,来探索不同的前缘构型对超声速叶型气动性能的影响效应;通过对比分析调整每个参数所得的一系列叶栅的流场计算结果,发现椭圆弧的形状控制因子对超声速叶栅的前缘激波和气流流动状况具有一定的改善效果,同时在保证叶栅气动弦长基本不变的情况下,存在某个椭圆弧形状控制因子和方向控制因子的匹配能够使叶栅的气动性能达到最佳.     

通道参数对超声速叶栅性能的影响

为了研究喉部面积比、喉部位置及稠度对超声速叶栅最小损失点性能的影响，基于直接控制通道的造型方法获得一系列设计马赫数为1.4且具有不同通道参数的平面叶栅。数值计算与流场分析结果表明：根据叶栅通道内激波系结构的不同可将其划分为启动态叶栅与过渡态叶栅。喉部参数主要通过改变激波系位置影响叶栅性能。启动态叶栅喉部面积比越小、喉部位置越靠前，其最小损失越小、静压比越高；过渡态叶栅则相反。稠度改变时叶栅通道中激波系结构发生变化，大稠度叶栅大多处于启动态，最小损失小且静压比高；小稠度叶栅大多处于过渡态，具有更大的裕度。     

尾缘冷气喷射对超声涡轮叶栅性能的影响

采用试验与数值模拟相结合的方法,研究了某超声速涡轮导向叶栅尾缘冷气喷射对叶栅流场结构的影响。数值模拟时,使用环形叶栅模型近似模拟平面叶栅内的流动。研究结果表明:数值模拟结果与试验结果吻合较好;尾缘冷气喷射可减少主气流在尾缘停滞区的能量耗损,削弱叶栅尾缘处的内边缘激波,叶栅气动效率随冷气量的增加先增大后减小;尾缘冷气喷射对叶栅出口附近气流角的周向分布有影响,但对质量平均的叶栅出口气流角基本无影响。     

跨声速涡轮平面叶栅实验与激波控制研究

开展了跨声速涡轮平面叶栅吹风实验,采用纹影技术捕捉静叶尾缘的激波现象并测量了流道中总压和静压分布。基于CFX软件,采用与实验相同的边界条件对实验叶栅进行了数值模拟分析,获得了流场分布、激波损失分布、激波/尾迹和边界层干扰分布等。综合实验与数值模拟结果,分析了叶片表面静压分布特点、叶栅出口周向总压分布特点及叶栅能量损失系数与出口马赫数的关系,发现激波损失在气动损失中占有很大比重。为了削弱激波强度以降低激波损失,通过控制叶型,使压力面负荷向尾缘移动,由此使得叶栅总压恢复系数增大0.003 6,能量损失系数降低0.185 8,总体激波损失减弱。     

不同条件下平面叶栅风洞流场品质的实验研究

为了全面认识亚声速平面叶栅风洞的流场品质及其影响因素,以西工大高亚声速平面叶栅风洞为研究对象,实验测量并分析了空风洞的来流品质以及安装叶栅实验件后来流马赫数、来流攻角、叶片数对叶栅流场准确性、均匀性以及周期性的影响。研究结果表明：空风洞内主流区域宽广且基本均匀,马赫数偏差不超过0.005,气流角偏差不超过；加装叶栅实验件后的周向流场分布表现出不对称,靠近可移动上侧壁的三个通道的来流均匀性和准确性普遍较差,叶栅中间和偏向可移动下侧壁的通道来流均匀性和准确性较好；来流攻角对叶栅进口流场品质的影响比马赫数更大,在负攻角和较小的正攻角下,叶栅进口流场品质较好；在较大的正攻角下,叶栅来流均匀性和准确性明显下降；叶栅进口流场品质直接影响着叶栅通道内以及出口流场的周期性。     

弯叶片对大转角平面涡轮叶栅气动性能影响的实验研究

本文选择叶型折转角为113°的平面涡轮叶栅,开展了直叶栅、正,反弯曲叶栅的流场测量和流动显示研究,讨论了叶片弯曲对壁面流谱、静压分布以及流动损失的影响.结果表明：对于大折转角(113°)平面涡轮叶栅,叶片反弯(DHN)使得叶栅流场明显恶化,叶栅损失增加;叶片正弯(DHP)则在一定程度上减少流动损失,但效果没有普通小折转角的涡轮叶栅明显.     

加力燃烧室火焰稳定器截面两态燃油浓度分布计算

研究了气流速度、温度和喷嘴压降、稳定器位置对稳定器截面燃油浓度分布的影响 ,考虑了稳定器对流场的影响 ,应用轨道扩散法计算了模拟外涵温度下稳定器截面燃油浓度的分布。     

沙丘驻涡蒸发式稳定器低压性能的试验研究

为了探讨沙丘驻涡蒸发式稳定器低压性能降低的原因，寻求改善措施，对稳定器常压下的流阻特性及低压下的点火及火焰稳定特性进行了试验研究，试验中改变了稳定器的开孔规律，低压试验的进气压力分别为0.08MPa、0.06MPa及0.05MPa。试验发现：原型稳定器从主流引入稳定器内的气流破坏了常规沙丘驻涡稳定器特殊型面形成的理想流场，恶化了从蒸发盘出口的两相混气的二次雾化、蒸发及掺混，使稳定器低压性能降低，改型后其点火及火焰稳定性能明显提高，总体性能超过V型蒸发式稳定器。     

扇形喷嘴燃油浓度场试验研究

 在常压和气流速度 Va=5 0～ 90 m/s、气流温度 T=2 83～ 673K、油压 Pf=0 .2～ 0 .8MPa,下游距离 x=1 0 0～ 1 90 mm的条件下 ,对某扇形喷嘴下游燃油浓度分布的影响进行了试验研究。试验表明 ,扇形喷嘴油雾场的纵向分布呈扇形 ,横向分布与直流式喷嘴侧喷类似。当气流速度减小、气温降低、油压升高或下游距离增大时 ,都会引起燃油分布范围及穿透深度增加     

尾缘吹气式火焰稳定器燃烧性能研究

在初步试验研究的基础上,对尾缘吹气式稳定器进行了结构改进,并进行了燃烧性能试验研究。探讨了新型稳定器的贫熄特性,分析了尾缘吹气速度与供油量对燃烧性能的影响,比较了稳定器前方供油与稳定器内供油的不同供油方式下的燃烧性能,并和V型稳定器性能进行了对比。研究结果表明,新型稳定器是一种能稳定工作的可控高效低阻稳定器,在未来发动机加力尤其是外涵加力上具有应用前景。尾缘吹气并供油,改善了燃烧区燃油浓度分布。燃烧性能优于槽宽大1倍的V型稳定器。      

喷油杆和凹腔支板稳定器近距匹配的液雾分布可视化

液雾分布与稳定器的燃油布置方式、油气分配、火焰稳定及火焰传播密切相关。以RP-3为雾化介质,在来流马赫数为0.2及来流温度为10~400℃的条件下,采用高速摄影法和激光片光/照相法,对喷油杆与凹腔支板稳定器间隔31.5 mm且顺喷时的液雾分布特点进行了可视化研究,并探讨了来流温度及油气动量比对其液雾分布轨迹的影响。结果表明:顺喷喷油杆与凹腔支板稳定器近距匹配方式有利于燃油在支板前缘形成挡溅雾化;挡溅雾化后的一部分燃油在支板表面形成油膜,并在凹腔前缘与尾缘进行二次雾化,来流温度较高时高温支板表面也有利于燃油的蒸发雾化;另一部分燃油则以类似横向射流的形式进行雾化。当来流温度一定时,油气动量比增大,液雾轴向分布距离和横向穿透深度均增大;来流温度升高,液雾穿透深度增加,油气动量比对液雾分布的影响更明显。      

油珠在火焰稳定器表面的溅跳雾化及集油率测量

在进口气流速度50～100m/s,喷嘴压降0.59～1.86MPa,喷嘴直径0.54mm,温度273～473K,V型火焰稳定器顶角40°、45°,槽宽45、80mm的条件下,试验研究了直射式喷嘴的液雾射流在稳定器表面的溅跳雾化现象,并详细叙述了用燃气分析法测定稳定器表面集油率的方法,取样总误差为±5%.     

加力燃烧室双层喷油杆内冷却气流动特性

对新型外涵引气冷却双层壁加力喷油杆的冷气流动特性进行了模拟实验,为双层喷油杆结构设计和冷却性能研究提供基础.通过对8套不同结构尺寸实验件的研究,得到了双层喷油杆冷却套管内气流流阻系数随来流质量流量的变化规律、流阻系数随双层喷油杆结构尺寸的变化规律和冷却套内气流雷诺数随进口总压的变化规律等.对8套实验件结果进行比较,综合三个因素最终选择了较为合理的新型双层喷油杆结构尺寸.这种尺寸的喷油杆流阻系数为1.2,迎风尺寸宽16mm较为合适,相同工况下冷却气的雷诺数最大.      

直射式喷嘴跨流喷射的雾化特性试验研究

 应用Malvern激光测雾仪在气流速度50～150m/s,供油压力（1.1～4.2）×10⁶Pa,喷嘴直径0.5～0.9mm,喷嘴下游距离60～250mm参数范围内对直射式喷嘴跨流喷射的雾化特性进行了研究。根据试验结果得出了相应的经验关系。     

侧喷挡板式雾化喷油杆喷雾特性实验

发展了一种新型侧喷挡板式雾化喷油杆,使用Malvern激光粒度仪,对其在横向气流中所形成的雾场进行测量,获得其雾化特性参数.分析了初始雾化过程和雾场结构,初步研究了油压、气流速度以及喷油杆几何结构对喷雾特性的影响.研究结果对于该型喷油雾化方式的应用研究以及数值计算有着重要的意义.      

燃油在稳定器尾缘的二次雾化研究

本文总结了激光测雾仪测定稳定器尾缘燃油二次雾化分布的结果,描述了其特点,研究了影响二次雾化的主要因素,探讨了稳定器尾缘二次雾化机理及其对燃烧性能的影响。