涡轮机匣换热实验

为了得到涡轮机匣内部壁面的换热规律,用瞬态液晶测量方法对某型涡轮机匣上表面的换热分布进行了全表面测量.机匣具有包括冲击、凹槽、阵列孔抽吸等的复杂结构,实验结果表明,射流冲击是造成上表面传热系数增强的主要因素,在冲击影响区域换热较强,其余区域换热较弱.实验结果对涡轮机匣内部流动换热计算、温度场计算、叶尖间隙控制具有重要的...     

航空发动机涡轮机匣传热分析技术研究

通过数值仿真和基础试验系统研究了涡轮机匣的传热特点,建立了高压涡轮机匣传热分析方法。总结机匣传热分析的主要技术环节,开展了机匣关键部位的CFD流动换热数值分析,给出了机匣表面换热分布规律,通过换热试验修正了机匣表面换热分析方法;通过机匣的过渡态温度分析,建立了涡轮机匣传热分析工程方法。     

航空发动机涡轮机匣温度试验对比验证研究

涡轮机匣结构复杂且工作环境比较恶劣,直接利用发动机部件开展机匣表面换热规律研究难度极大.通过采用简化模型的基础研究结合某发动机部件试验验证的方式进行研究.在基础研究中,取涡轮机匣的1个周期性扇段作为研究对象,对机匣结构中的一些圆弧、倒角、倒圆等结构进行了简化,采用数值计算和瞬态液晶测试技术获得了涡轮机匣表面换热经验关系式;在验证试验中,针对某发动机部件,在压力和温度均接近发动机工况下进行试验,获得了涡轮机匣表面换热情况,并对基础研究获得的经验关系式进行了验证.研究结果表明:基础研究获得的换热经验关系式在发动机部件试验中同样适用.应用的研究方法可供类似研究借鉴.     

冲击射流流动换热超大涡模拟研究

为了准确预测发动机热端部件中广泛采用的冲击射流冷却复杂的流动和换热特性,发展了基于BSL k-ω模型的超大涡模拟(VLES)高精度模拟方法,并对高雷诺数Re=4×104,两种不同射流距离2和6的单孔冲击射流及三孔冲击射流这一经典的流动传热问题进行三维非稳态高精度数值计算。同时,将分离涡方法 (DDES)和k-ωSST,RNG,Transition SST三种RANS方法的数值模拟和开发的超大涡模拟(VLES)方法进行对比。研究表明,VLES方法均能够准确捕捉冲击射流流场的复杂非稳态流动及传热特征,包括自由射流区、壁面射流区小尺度涡系和大尺度湍流结构的演化和破碎,同时冲击壁面的换热系数计算结果与实验值吻合较好。DDES方法未能准确捕捉流场复杂的小尺度湍流结构,壁面换热计算结果与实验值差异较大。RANS方法计算的换热结果与实验数据差异最大,基本未能预测到壁面换热特性。在相同的计算网格和计算方法下,VLES方法计算结果优于DDES方法,DDES方法一般好于RANS方法。这表明新开发的VLES方法能够准确地计算冲击射流相关的流动及换热问题。     

单孔冲击式帽罩前缘流动换热特性数值分析

为了提高航空发动机帽罩冲击防冰结构的设计分析水平,对单孔冲击式帽罩前缘结构的流动换热特性进行数值研究,分析了不同冲击孔径与不同冲击雷诺数对帽罩前缘速度流场、换热系数与努塞尔数的分布规律。结果表明:在冲击雷诺数一定的条件下,冲击孔径越大,射流核心速度和前缘壁面附近的气流速度越小,前缘冲击区形成的涡流团越大,当孔径D=6 mm时,小孔径冲击下前缘区整体换热效果不如大孔径的,而在滞止区的换热效果则要优于大孔径的;当D>12 mm时,孔径大小对壁面换热基本没有影响;在冲击孔径相同时,增大冲击雷诺数使得冲击射流、前缘壁面附近及侧壁曲面通道内的气流流速增大,冲击区内的涡流团则逐渐减小;冲击雷诺数的增大也增强了前缘冲击区的换热特性。     

表面凸起对机翼热气防冰腔内换热强化的影响

采用数值模拟对比研究了光滑表面和具有表面凸起结构热气防冰腔内湍流流动的换热特性。机翼防冰腔内笛形管具有三排射流孔,射流孔角度有0°±45°组合以及0°±30°组合。为了强化射流冲击光滑表面的流动换热,在防冰腔内表面正对射流孔的射流冲击区,设计了表面凸起结构,用来强化射流对壁面的冲击换热效果并起到引流作用。通过改变射流孔射流角度研究了射流角度对传热特性的影响。计算结果表明:与光滑防冰腔内表面射流冲击换热相比,表面凸起结构可以将均匀发散的壁面射流集中为高速壁面射流,提高壁面射流区的对流换热系数,从而增强射流冲击换热效果,机翼前缘的强化换热效果尤为明显。     

半圆腔壁表面二维冲击流动和换热的模拟计算

本文用有限元素法对半圆形腔壁表面的冲击流动和对流换热作了数值计算, 由于引射作用在腔内会出现回流, 使得流动结构和换热系数的分布与大空间的冲击流动存在明显的区别。计算结果表明, 除在冲击缝两侧壁面附近有第一回流区外, 在一定流动条件下还可能在下游产生第二回流区。      

多层涡轮机匣内螺栓对换热特性影响的试验研究

针对叶尖间隙主动控制系统的高压涡轮多层机匣,研究了机匣内部斜向冲击高肋结构中,定位螺栓对机匣换热特性的影响规律。试验中改变孔平均雷诺数-Re(2543~7121)、螺栓直径与冲击孔直径比D d(2.67,4.13,5.33)、螺栓间距与冲击孔直径比S d(23.2,30.7,45.2)等参数,获得了不同工况下螺栓安装面局部和平均Nu数变化规律,并整理出对应的经验关系式。研究中发现,安装螺栓的存在,显著增强了机匣表面的局部换热效果,但是平均换热系数的提升幅度有限。研究结果表明,在本文试验参数范围内,当保持螺栓间距比不变时,增加螺栓直径可以有效强化机匣表面的换热系数,如当螺栓直径比D d由2.67增加到5.33时,螺栓周围机匣表面平均Nu数增加幅度达20%~30%。当螺栓直径比保持不变的工况中,螺栓间距比S d为30.7时机匣表面平均Nu数达到最大值,但是螺栓间距比参数对机匣表面换热系数影响相对较小,平均Nu数的变化幅度在10%以内。     

多孔多层板发散冷却特性(二)横流作用

针对Lamilloy类型的3层多孔层板结构,对有横流存在的多孔多层板的流动换热特性进行了数值模拟,考察了层板结构内的流动和壁面换热特性及层板热侧横流中的复杂流动换热现象,分析了多孔多层板发散冷却特性和流动换热机理.结果表明,多孔多层板发散冷却高效且均匀,层板结构内部的流动换热特性受横流影响很小,层板内强烈的冲击和对流换热是层板高效冷却的关键因素,如增大层板热侧开孔孔径或采用斜孔,可以进一步改善发散冷却效果.     

多重激励下机匣振动能量传递规律与耦合特性

为了研究机匣振动能量的传递规律和转子多重不平衡激励能量在机匣上的耦合特性,采用有限元法建立了包括压气机机匣、燃烧室机匣和涡轮机匣组件在内的航空发动机整机机匣模型,应用结构声强法计算分析了机匣在不同激励频率下振动能量的传递规律和耦合特性。结果表明:(1)机匣共振时,振动能量的穿透力最强,主要以纵波和剪切波的形式穿过机匣安装边向其他部件传递。(2)机匣的模态振型与其振动能量传递特性有关,振动幅值较大的机匣组件同时也是主要参与振动能量传递的机匣组件。(3)振动能量在机匣上的传递具有解耦特性,多重激励同时作用下的机匣振动能量传递特性可以分解为多个单一激励作用下机匣振动能量的线性矢量和。     

大变形状态机翼振动试验与气动弹性分析

本文针对结构大变形引起的几何非线性对于结构动力学特性的影响作了计算和试验研究,设计了一个试验,用于体现大展弦比平板机翼结构大变形对于动力学特性的改变。并计算分析了这种大变形对于该机翼气动弹性颤振特性的影响,并参考了一个双梁骨架结构机翼的计算分析结果。经分析发现几何非线性因素对于这两种机翼结构的影响体现在:第一,使得固有模态中的扭转模态频率大幅降低;第二,使得颤振特性发生变化。     

模拟飞机尾喷焰辐射传输的非结构有限体积法

有限体积法因其物理意义明确,在流动与传热的数值计算中有广泛的应用。在利用有限体积法求解辐射传输问题时,不仅能够保证在每一控制体内辐射能量守恒,还可以保证在每一个控制立体角内辐射能量守恒,因而使得模拟结果具有较高的精度;同时,非结构化网格技术是处理复杂几何形状物理问题的一种有效方法。本文编写了求解辐射传输的非结构化有限体积法程序,将计算结果与其他文献的算例进行了对比,证明了模型和程序的正确性,分析了各种因素对程序计算精度和计算时间的影响。在此基础上,将求解辐射传输的非结构化网格有限体积法程序集成到Fluent软件中,计算了飞机尾喷焰的温度场分布。     

来流马赫数和余气系数对蒸发式火焰稳定器燃烧特性的影响

在亚音速高温气流实验装置中,使用拍摄OH自发光辐射的方法研究了蒸发式火焰稳定器的燃烧特性,分析了来流马赫数和余气系数对蒸发式火焰稳定器后反应流场的影响。通过对比火焰稳定模式,气流速度较低时火焰稳定性主要靠稳定器尾迹区中涡的生成和脱落控制,而气流速度较高时稳定器侧壁内缘出现的小反应区也是火焰稳定的重要因素。喷嘴的喷射条件对稳定器后的反应流场有重要影响,在油气比较高时,气流速度较低,出现回火,火焰悬停距离较小。在同样的气流速度下,降低余气系数,稳定器后的火焰形状发生本质变化,两个强烈反应区消失,反应区的边界变模糊。     

高平尾布局飞机深失速特性及失速改出伞数值计算与分析

ARJ21飞机是我国自行研制的具有典型T尾布局特点的先进支线飞机。失速和失速特性试飞是ARJ21飞机适航取证试飞最重要的试飞项目之一。高平尾(T尾)布局飞机可能存在深失速运动模态,给飞机的失速特性试飞带来安全风险。本文首先分析了高平尾(T尾)布局飞机的空气动力学特点,剖析了"深失速"现象的产生原因,并在此基础上以ARJ21飞机为算例,结合具体的风洞实验数据库,应用工程估算的方法对动导数进行了补充完善,其次建立了适合预测飞机失速和深失速运动方程的空气动力学模型,并对飞机的运动特性特别是深失速特性进行了仿真计算,计算结果与实际试飞结果取得了较好的一致性;最后选择深失速状态作为失速改出伞设计的临界状态,建立失速改出伞的数学模型,对失速改出伞改出深失速的动态过程进行了仿真计算,验证了失速改出伞改出深失速的设计参数,为失速改出伞的研制提供了参考依据。     

带孔搅拌摩擦焊接整体壁板的复合裂纹扩展路径研究

针对搅拌摩擦焊接板在飞机整体结构上的应用,建立了带孔搅拌摩擦焊接板的有限元数值计算模型,采用最大周向拉应力准则,分析了结构参数,如孔位置、焊接区宽度和厚度对裂纹扩展路径的影响:孔位置对裂纹扩展路径有很大影响,孔离焊接区越远,其影响越小;焊接区厚度对裂纹扩展路径影响也很大,而焊接区宽度对于裂纹扩展的影响相对较小;并把数值计算结果和试验结果相比较,结果吻合较好。为飞机带孔搅拌摩擦焊接整体壁板结构设计提供了一定的参考。     

几种典型BCC金属的塑性流动特征及本构模型综述

为了理解BCC金属的塑性流动特征并研究其本构关系,本文对多晶Ta、V、Nb及高强度低合金钢HSLA-65和DH-36在温度从77K到1000K,应变率从0.001/s到8000/s,真实塑性应变超过35%的塑性流动行为进行了系统研究。结合试验结果,对塑性流动本构模型进行了推导。得出:(1)合金钢HSLA-65和DH-36与多晶金属Ta、V、Nb具有类似的塑性变形特征;(2)BCC金属的塑性流动应力对应变率和温度非常敏感,但加载历史对流动应力影响较小,即演化后的微观结构组织其流动应力并不变化;(3)在低应变率下出现的动态应变时效现象随应变率的增加,时效温度区将移至更高区域;(4)基于位错运动学和动力学,结合系统试验结果,所推导的基于物理概念本构模型通式,在很宽温度很宽应变率范围内能较好的预测BCC金属的塑性流动应力。     

一种高效的壁面距离计算方法

采用CFD(Computational Fluid Dynamic)技术进行湍流效应数值模拟时,经常需要计算流场网格点到最近壁面的距离。当网格规模很大,特别是针对一些动网格问题,壁面距离的计算量很大且费时,影响整个流场求解效率。本文对壁面距离计算的直接算法和基于二叉树技术的ADT(Alternating Digital Tree)快速算法进行了对比分析和研究,提出了一种高效的、基于方盒切割技术的快速计算方法,并采用不同外形的CFD计算网格对该方法进行了验证。计算结果表明,新方法的壁面距离计算效率明显高于直接算法和ADT算法,并具有较好的鲁棒性和通用性,可以便捷地移植到现有的CFD计算程序中,从而提高整个流场的数值计算效率。     

航空连接结构的参数化有限元分析系统设计与开发

本文应用弹塑性有限元数值计算及参数化设计方法,对飞行器典型连接件结构的有限元计算进行了参数化设计,并基于ANSYS平台开发了参数化的连接件结构有限元仿真系统,借助通用有限元软件ANSYS的参数化设计语言APDL与界面设计语言UIDL,完成参数化建模的宏文件设计与参数输入的界面设计及参数传递,初步实现了有限元建模、计算和后处理的全程参数化;实现了对ANSYS的二次开发;利用有限元的子模型技术,在计算开销相对较小的情况下保证了计算精度,从而形成专业化、参数化、高效率的连接件有限元仿真设计系统。文中给出了采用该系统与传统方法比较的算例,可以看出结果有较好的吻合。     

非均匀栅距对轴流压气机流动影响的数值研究

本文进行了非均匀栅距叶片排的轴流式压气机流场数值研究,进口导叶采用了不同的非均匀栅距结构,探讨了不同工作状态下对压气机性能及动叶非定常气动力的影响。数值研究中采用LU-SGS隐式解法与双时间方法相结合,求解圆柱面二维流动的雷诺平均非定常N-S方程。数值研究的结果表明,进口导叶非均匀栅距结构对压气机气动性能影响不大,但对动叶表面受到的非定常气动力有一定影响。采用不同的非均匀栅距进口导流叶片排结构型式,动叶表面的非定常气动力的分布是不同的。不同工作状态下的计算结果显示,即使采用相同的非均匀栅距结构,非定常气动力的分布特性也是不相同的。     

预处理AUSMDV格式在微型扑翼绕流数值模拟中的应用

由于微型扑翼的低速低雷诺特性,对其粘性绕流的数值模拟存在较大困难。传统的中心空间离散格式不具有格式耗散而需要加入带有自由度的人工耗散,给计算带来不确定因素;此外,在低速低雷诺条件下,RANS方程组的条件数太大,导致计算收敛缓慢甚至不收敛,需要引入预处理方法加速收敛。本文使用具有低耗散特性的AUSMDV空间离散格式结合预处理方法对扑翼的非定常粘性绕流进行了数值模拟,非定常推进采用了含双时间迭代的LU-SGS隐式时间推进,湍流模型采用了BL模型。计算结果表明,加入预处理能够克服AUSMDV格式难以收敛的缺点,并且与中心格式相比,基于预处理的AUSMDV格式能够更准确地模拟扑翼的非定常粘性绕流,通过将本文计算结果与文献结果对比验证了本文方法的有效性。在此基础上研究了扑翼相关参数对气动特性的影响,对进一步了解扑翼气动力产生机理,指导扑翼的气动设计具有参考价值。