带周向槽机匣处理的压气机内部流动数值模拟与试验

采用试验和数值模拟的方法研究了周向槽机匣处理对轴流压气机性能以及内部流场的影响.在单级轴流压气机试验台上对实壁机匣和周向槽机匣结构进行了详细的实验测试.同时,对每一种机匣结构的内部流场进行了全三维数值模拟,数值模拟结果与试验结果符合良好,相比于实壁机匣,试验以及数值模拟结果均表明周向槽机匣处理结构能够扩大压气机的稳定工作裕度,而对效率的影响不大.对内部流场的详细分析表明周向槽处理机匣对叶顶间隙泄漏涡形成和发展的抑制是周向槽机匣处理扩稳的主要原因.     

低速风洞内部流场数值模拟

以上海交通大学在建的多功能低速风洞为研究对象,针对其设计上的独特性,采用CFD方法首次实现对风洞内部流场的整体数值模拟,风扇段流场利用MRF模型处理,数值模拟中计及了阻尼网的整流效果。同经验设计法的气动设计结果进行对比发现,数值模拟得到的流量与设计流量差距很小,压力损失在一定程度上较为吻合。数值模拟揭示了风洞内部存在的流动分离现象,为提高风洞的气动性能提供了改进方向。对风洞同轴度下降引起的流场品质变化进行了分析,结果表明微小同轴度偏差对流场品质的影响不大。     

高超声速飞行器表面横缝旋涡结构及气动热环境数值模拟

针对高超声速飞行器表面横缝内部流动,通过求解可压缩Navier-Stokes方程,自主研发了一套能够较好模拟缝隙流动特性的CFD软件,利用该软件对横缝进行了数值模拟。研究表明,对于缝隙内黏性起主导作用的低速流动,通常需要密度足够充分的网格才能获得较好的计算结果。收敛后的壁面热流与文献实验热流吻合较好;缝隙内部旋涡个数近似与缝隙深宽比成比例,与文献中的有关结论完全一致。缝隙壁面热流分布受旋涡结构影响,会出现波浪式变化。因此,合理捕捉旋涡结构对于缝隙壁面热流的数值模拟有着重要意义,本文CFD软件对高超声速飞行器表面横缝的计算结果具有较高可信度。     

HyperFLOW 软件数值模拟TrapWing 高升力外形北大核心CSCD

采用High-Lift研讨会提供的梯形翼外形(TrapWing),利用自主研发的基于结构、非结构网格的通用CFD软件HyperFLOW进行了数值计算,以评估其对复杂外形低速流的模拟能力。分别采用了三套不同拓扑结构的计算网格,包括两套非结构/混合网格和一套多块结构网格,每套网格又分为粗、中、细三种密度不同的网格数量以考察其网格收敛性。利用Richardson插值法,对计算结果开展了可信度分析。结果表明,不管是结构网格还是非结构网格,HyperFLOW均建立了可接受的可信度;对于高升力外形数值模拟,SA湍流模型要比SST湍流模型模拟的更准确;在失速迎角附近,现有的二阶精度解算器仍需持续改进。     

非结冰气象条件下机翼热气防冰系统数值模拟

为了在自然结冰飞行前预估飞机防冰系统的性能,减少飞行风险,开展了非结冰气象条件下飞机机翼热气防冰系统的数值模拟研究。数值模拟采用了计算流体力学方法;外部对流传热系数的计算采用附面层积分方法。机翼热气防冰系统表面温度的计算是将蒙皮外部散热热流、内部热气加热热流以及蒙皮导热三者进行热耦合,并进行了改进,改进的方法不要求防冰腔内、外两套网格在重合面网格处一致,是通过双向线性插值将一方面网格信息插值传递到另一方表面网格上,提高了计算效率。     

一种圆环滑油箱结构集成与优化的数值模拟

基于Fluent多相流模型,采用理论计算与数值模拟相结合的方法,对圆环滑油箱结构集成设计进行了分析。分析过程中,考虑了不同飞行姿态和过载条件对性能的影响,得到了油面角、内部流场、高度-油量公式和气液分离效率曲线,并对滑油箱结构提出了优化方案。研究表明:采用数值模拟方法进行滑油箱结构集成研究简单有效,对比优化前后数值模拟结果,可定量分析结构对工作性能的影响。本文研究方法可为其它类型滑油箱设计和优化参考。     

HyperFLOW软件数值模拟TrapWing高升力外形

采用High-Lift研讨会提供的梯形翼外形(TrapWing),利用自主研发的基于结构、非结构网格的通用CFD软件HyperFLOW进行了数值计算,以评估其对复杂外形低速流的模拟能力。分别采用了三套不同拓扑结构的计算网格,包括两套非结构/混合网格和一套多块结构网格,每套网格又分为粗、中、细三种密度不同的网格数量以考察其网格收敛性。利用Richardson插值法,对计算结果开展了可信度分析。结果表明,不管是结构网格还是非结构网格,HyperFLOW均建立了可接受的可信度;对于高升力外形数值模拟,SA湍流模型要比SST湍流模型模拟的更准确;在失速迎角附近,现有的二阶精度解算器仍需持续改进。     

某型燃气涡轮起动机涡轮级与喷管一体化三维流场数值计算

通过三维N-S方程,对某型燃气涡轮起动机涡轮级和喷管内部的三维流场进行了数值模拟计算,分析了通道内的涡系产生和流动分离,揭示了该涡轮级和喷管内部流场的物理特征,为该起动机的改进设计提供了理论依据,并为整机的数值模拟奠定了基础。     

层板结构内部流场数值模拟研究

 在已经研究的层板换热特性的基础上,通过对层板结构内部流场的数值模拟研究,有助于理解层板内部复杂流动的情况,从而揭示层板内部换热强弱的机理。根据B、C两种类型结构的层板研究表明:在扰流柱柱面附近区域速度最大,这有利于热交换;扰流柱柱高的改变对流场影响较大,而且对换热也带来明显的影响。将数值模拟结果与实验进行对比发现,数值模拟换热系数的分布规律基本与实验相一致,误差也在可接受的范围内。     

摆盘流动与换热性能数值仿真

针对受燃烧室出口高温燃气冲刷的摆盘装置的冷却水回路,建立二维、三维物理仿真模型,模拟了冷却水在内部流道的流动与换热过程,考察了冷却水进口压力、冷却水流量对流阻和换热性能的影响.结果表明:①摆盘冷却水进口压力由2.3×105 Pa提高到8.3×105 Pa,摆盘壁温变化微小,结构1壁温升高5K,结构2壁温升高7K;②冷却水进口速度由0.5m/s提高到5.3m/s,结构1壁温降低约120K,结构2壁温降低约100K,冷却效果明显;③结构2通过缩小流道的流通面积,能在更小的冷却水流量的工况下得到更好的换热效果.     

一种计算再生冷却推力室温度场的方法

为了能够快速而准确地得到再生冷却推力室的温度分布,建立了一种计算再生冷却推力室温度场的方法。首先建立了轴对称推力室的一维冷却模型,并使用换热经验公式,得到了推力室壁面在轴线方向上的温度分布;其次建立了推力室的冷却套二维导热模型,使用数值模拟的方法和一维计算的结果,得到了冷却套的温度场。然后使用这种方法研究了气壁材料、气壁厚度和冷却液流量对推力室再生冷却的影响,获得了比较满意的结果。从计算时间和准确性来说,这种方法能够为推力室的优化设计和性能估算提供参考。     

10 kW超高速永磁电机三维瞬态温度场计算

为了考察电机在装配螺旋槽水冷套时对转子的冷却效果,针对1台功率10 kW、额定转速90 000 r/min的超高速永磁电机,采用有限元方法对电机三维温度场进行了研究,考虑了定子铁损、定子铜损,转子铁损和转子风摩擦损耗的影响。结果表明:定转子小间隙内的空气对转子起到了类似“热密封”的作用,当转子损耗功率较大时,仅依靠螺旋槽水冷套并不能有效地冷却转子,还必需辅以定转子小间隙的强迫空气冷却,以进一步降低转子温度。研究结果为大功率高速永磁电机热设计提供了重要参考依据。     

风兜面积对气冷喷油杆性能影响的数值研究

以某型涡扇发动机加力燃烧室气冷喷油杆为研究对象,在梯形截面的风兜下底和高度不变的情况下,通过改变上底长度得到一系列不同风兜面积的几何模型,综合考虑外流场对气冷喷油杆内部流动和换热特性的影响,对其在巡航状态下进行了流/热/固耦合三维数值模拟研究,获得了不同风兜面积对气冷喷油杆引气率、冷却空气喷口流量分布、壁面平均冷却效果、壁面最高温度的影响规律.结果表明:引气率随风兜面积增大线性增大;喷油嘴凸台周围冷却空气喷口的流量沿气冷喷油杆内冷却空气流向呈二次曲线规律变化,且随风兜面积增大分布趋于均匀;随风兜面积增大,喷油杆、隔热套壁面平均冷却效果线性增大,壁面最高温度降低;有效抑制内涵高温燃气倒灌进入隔热套是避免喷油杆局部高温的关键.      

管内流动的临界热流研究

本文是对管内流动的临界热流进行试验研究和理论分析.从沸腾机理分析和应用两相流的相似原理进行处理,我们推导了表达临界热流计算的准则方程.用6种不同的冷却剂,355个实验数据进行修正处理求得了常数A和指数h,m,n的数值.引入一个考虑冷却套缝隙高度变化影响的无因次修正项,上述方程成为计算管内流动临界热流的通用方程     

基于重力方向影响的低压涡轮叶片 水流量测量数值计算

为分析叶片摆放方向(重力)对某型发动机低压涡轮转子叶片水流量测量的影响,对某低压涡轮转子叶片(2种内腔冷却结构)在4种不同重力方向作用下的水流量进行数值计算。结果表明:重力方向对水流量测量结果的影响可以忽略。针对第1种内腔冷却结构的叶片,将测量设备进口引流管路加入计算模型,分别计算4种不同重力方向作用下的水流量。结果表明:在不同工况下由该测量设备引流管路导致的水流量测量结果变化很小,可以忽略不计。将计算结果及实测数据分别与测量标准要求进行对比分析,数据拟合度较好。     

液氧甲烷发动机台阶型冷却通道的耦合传热特性

为了研究液氧甲烷发动机再生冷却通道中跨临界甲烷的流动和传热特性,以及冷却通道较大幅度的突扩突缩对冷却效果的影响,采用整场直接耦合的方法对推力室三维耦合传热进行了数值模拟,考虑了燃气的非平衡流动.通过计算得到了推力室三维温度场和流场.计算结果表明：由于喉部截面附近存在较强的二次流,燃气侧壁面温度的最大值出现在喉部上游.由于突扩突缩处存在较强的旋涡运动,冷却剂的湍流强度增强,冷却剂侧表面传热系数显著提高,燃气侧壁面温度出现局部极小值,同时也产生了较大的局部损失.由于铜内衬热阻比镍外套热阻小得多,从燃烧室进入的大部分热量在冷却通道底面和侧面被冷却剂吸收.冷却通道底面的温度和热流密度沿程变化比顶面更剧烈.     

水冷电机设计特点分析

水冷电机应用广泛,其设计也有自己的特点。针对水冷电机中机壳水冷结构的两种水路分布方式,即折返型和螺旋型,介绍了水路结构的优缺点和水路设计涉及参数的计算方法。考虑水冷机壳承压问题,给出了机壳内外筒壁强度计算公式。研究内容可为水冷电机的设计提供参考。     

Probe design for measuring total temperature of combustor outlet based on water cooling

To obtain the outlet temperature of combustor, a kind of high-temperature and water cooling thermocouple was designed. The main factors affecting the results of thermocouple measurement were analyzed after numerical simulation. Results showed that the high-temperature water cooling thermocouple can achieve high temperature measurement under the condition of 2400K. With the increase of the distance between the water cooling structure and the stagnation cover, the temperature measurement result was more accurate, and the increase in the area ratio of the inlet and outlet of the stagnation cover within a reasonable range can make the measurement results more accurate. The surface emissivity of the measuring point had a great influence on the radiation error. The pressure and flow rate of cooling water can be effectively reduced after adding zirconia coating onto the surface of the rake body.      

“月牙形凸台+等离子体激励器”结构改善气膜冷却效果的数值研究

利用等离子体激励器作为改善气膜冷却效果的方法在近年来得到了初步研究,但现阶段改善程度依然有限.提出“月牙形凸台十等离子体激励器”新型气膜冷却结构,通过CFD计算方法分析常规圆形孑、带月牙形凸台和带等离子体气动激励等不同气膜冷却结构的流场特性、温度场特性和冷却效率.结果表明:在圆形孔气膜冷却结构中,流场中形成了肾形涡对,由于肾形涡对使得冷流抬离壁面以及卷吸热流的作用,壁面的冷却效果最差;冷流经过等离子体激励器或月牙形凸台后,流场产生了反肾形涡对,抑制了肾形涡对的结构尺寸和强度,与圆形孔气膜冷却结构相比,气膜冷却效果在展向和流向上得到较大改善;在“月牙形凸台十等离子体激励器”气膜冷却结构中,冷热流掺混后形成的反肾形涡对强度最大,并且显著提高了孔间区域的冷却效率,在各吹风比下气膜冷却效果最佳.     

复合倾斜冲击冷却结构设计及应用

以某型航空发动机低压涡轮导向叶片局部结构设计为研究对象,研发了1种复合倾斜冲击冷却的结构形式,介绍了复合倾斜角度冲击冷却结构设计特点,并进行了流动特性和温度场的计算分析,计算分析和壁温测试表明:复合倾斜冲击冷却方式能以较小的冷气流量对壁面形成了较好的冷却效果;对叶片上缘板表面形成了均匀冲击冷却的效果,发动机台架试车也验证了该冷却结构的性能和可靠性。