基于壁面压力梯度控制的压气机S形过渡段设计

建立了S形过渡段流道几何的参数化描述方式,并提出了半程落差比的概念,将过渡段流道几何归结为内壁半程落差比及控制点面积比的函数;探讨了通过半程落差比及控制点面积比控制壁面压力梯度的方法;将该方法应用于过渡段的设计,探索其设计规律。研究结果表明:适当增大半程落差比可使过渡段内壁扩压前移,减小后半程的逆压梯度,从而抑制过渡段内壁出口附近低能附面层的分离,减小损失;同时,控制点面积比也将显著改变壁面压力分布,构造先扩张后收缩的面积变化可减小过渡段内壁进口的吸力峰值,并且进一步减小后半程的逆压梯度;对于所研究的进出口面积相等的压气机S形过渡段,当半程落差比在0.55～0.65之间,控制点面积比在1.1附近时,过渡段的总压损失最小。     

S形进气道流路造型方法及其对性能影响的研究

根据S形进气道的几何边界条件,提出了一种基于多项式的中心线及面积分布率曲线的流路造型方法。选择不同的拐点位置,采用该方法构造了9条具有代表性的中心线及面积分布率方程。组合不同的中心线和面积分布率曲线建立了相应的S形进气道的几何造型,并采用三维N-S方程进行求解,得到了总压恢复系数和DC60等性能指标。分析计算结果表明,中心线对S形进气道总压恢复和出口动压起着主要影响,随着中心线方程拐点位置后移,S形进气道总压恢复系数和出口动压呈明显增加趋势;中心线和面积分布率组合共同影响着DC60指标,当中心线拐点过于靠近进气道进口而面积分布率曲线拐点靠近进气道出口时,进气道下游的涡将会发展到出口,从而大幅度影响DC60指标。     

压气机S形转接段半反问题设计方法研究

研究了压气机部件间S形转接段的气动设计方法,提出了一种控制转接段壁面静压梯度等参数的半反问题设计,并发展了相应设计程序.采用所述方法,对某轴流-离心压气机转接段进行了设计验证.结果表明:通过调整反问题设计参数,可以自由控制内壁面的静压分布及壁面几何,又通过对外壁面几何进行数值匹配,能够很好地实现所设计的内壁面上的静压分布,验证了本方法可行.在未寻求最优内壁面静压梯度分布的情况下,进口高度长度比达0.138,轮毂半径差长度比达0.485的轴对称转接段的总压恢复系数可达0.98以上.      

高马赫数超声压气机转子叶型优化设计

为进一步提高压气机叶尖轮缘速度和增压比,将唯一进气角原理和数值最优化技术用于叶型设计,获得两个高马赫数、高压比、低损失的“S”形超声压气机叶型。首先根据压气机流动机理,提出超声压气机叶栅的性能指标;然后通过吸力面叠加厚度的方式生成初始叶型,保证叶栅的来流马赫数和唯一进气角;最后采用基于修改量的叶型参数化方法,以给定总压比为约束条件,以总压损失系数最小为目标对初始叶型优化。设计结果表明:在设计点,叶栅1和叶栅2的总压损失系数分别为0.119和0.158;在高来流马赫数条件下,超声叶栅需采用大稠度设计才能实现多道斜激波加一道正激波增压;在叶型吸力面前端构造一个斜坡也可增加叶栅通道内的斜激波数量;平直的吸力面后段有利于削弱激波对附面层干扰,将平直吸力面后段与钝尾缘(或翘尾缘)相结合可有效抑制附面层分离,减小尾迹区。     

吸附式跨声速压气机叶栅流场数值模拟

使用MISES程序数值模拟了跨声速吸附式压气机叶栅流场, 重点研究了吸气量和吸气位置对跨声速压气机叶栅气动性能的影响.结果表明, 叶栅来流马赫数和方向一定时, 吸气位置和吸气量是相互关联的关键参数, 不同的吸气位置对应着不同的最佳吸气量, 且随着吸气位置向后缘远离激波, 最佳吸气量呈逐渐增大之势.从吸气对叶片吸力面边界层的影响效果分析, 理想的吸气位置应该是在靠近激波后附面层发展到一局部极大值即将进入过渡段的位置附近.      

跨声速叶栅抽吸流、激波以及分离流相干效应

以某高负荷、跨声速压气机叶栅为研究对象,应用数值模拟手段探讨通过抽吸控制激波从而控制附面层发展的可行方法。研究结果表明：随着抽吸量的增加吸力面马赫数峰值提高,激波损失增加,同时使得吸力面马赫数峰值点位置后移,附面层分离减弱,分离的减弱所导致的总压恢复系数增加量要远大于激波强度增加所导致的总压恢复系数减小量;抽吸对叶栅性能改善存在一个最佳抽吸量1.2%;在保证叶栅静压压升不变的前提下,相对于未抽吸条件1.2%抽吸使得叶栅总压恢复系数提高10%,扩散因子降低18%,落后角减小5°;通道激波后实施附面层小流量抽吸不能有效改善附面层内部流动参数,当实现前缘入射斜激波投射点位于通道激波上游时,叶表附面层流动得到较大改善。     

来流条件对叶片表面附面层转捩影响的数值模拟研究

通过对二维压气机叶栅叶片表面附面层流态的数值模拟分析,研究了在不同来流马赫数和冲角下,叶片表面层流附面层向紊流附面层的转捩过程,转捩区域的大小等。归纳分析了部分来流条件对转捩过程的影响机制。结果表明:来流马赫数和冲角对转捩起始点和结束点的位置,即转捩所占区域的大小有重要影响。研究工作取得的进展不仅为进一步从机理上深刻认识来流条件对叶片表面附面层流态的影响机理提供了一定的科学依据,而且对今后指导叶片表面附面层流态模似实验工作的开展具有重要参考价值。      

超声压气机叶栅流场的数值模拟与试验验证

高超声压气机叶栅因适用于战斗机高马赫数飞行、增压比高而成为研究热点,但其损失难以控制,波系结构复杂,激波附面层干扰结果难以预测。基于自开发NUAA程序,对超声压气机平面叶栅流场进行计算分析,并通过与超声压气机平面叶栅试验结果的对比,考察叶栅在不同进口马赫数与气流攻角下的总性能、波系结构与激波位置。结果表明:程序计算的总性能与试验值吻合很好,且能精确捕捉超声叶栅中的激波结构,较好预测叶片表面等熵马赫数分布,可为超声叶栅的设计与结果验证提供支持。     

附面层抽吸对高负荷跨音风扇转子性能的影响

针对高负荷跨音速压气机存在强激波及严重的激波与附面层干扰,以某高负荷跨音风扇转子为研究对象,采用数值方法研究了吸力面不同抽吸位置对风扇转子性能的影响。结果表明：高负荷跨音风扇转子存在激波和逆压梯度引起的附面层分离,合理的抽吸位置既能有效的削弱激波与附面层干扰,又能控制尾缘分离,使通道激波后移,扩大流道高马赫数范围;通道内三维激波范围的扩大会带来转子稳定裕度的负面影响。     

吸附式亚声速压气机叶栅气动性能实验及分析

以亚声速平面叶栅风洞为实验平台,在不同来流马赫数、攻角和吸气量状态下,测试吸附式压气机叶栅吸力面、压力面表面压力分布和叶栅尾缘等参数.结果表明,附面层吸除能促进附面层减薄,减少分离损失,有助于降低叶栅总压损失,提高气流折转能力,改善叶栅气动性能.合适吸气槽位置和吸气量的选择,有利于叶栅内部流动更趋合理.      

来流总温对双模态燃烧室模态转换边界的影响

针对煤油燃料双模态超声速燃烧室，开展了来流总温对燃烧室模态转换边界影响的试验研究。试验采用甲烷燃烧加热直连式试验系统，隔离段进口马赫数保持2.0不变，总压为1.05 MPa，来流总温分别为885、1 085、1 285 K。试验中采集了燃烧室沿程壁面压力，并采用一维分析方法得到了燃烧室的工作模态。试验结果表明:来流总温不同时，燃烧室壁面峰值压力位置相同，同时压力峰值与隔离段壁面压力分布和激波串起始位置存在一一对应关系；来流总温上升导致燃烧室超燃-亚燃模态转换时的当量油气比上升；在燃烧室当量油气比不变的条件下，来流总温上升能够导致燃烧室壁面压力下降，隔离段内激波串长度缩短。      

强制转捩对高超声速进气道性能影响

针对一个高超声速进气道,设计了不同高度的钻石形和斜坡形转捩带,在来流马赫数为6,攻角为1°工况下,通过风洞试验与三维数值模拟相结合的方法,研究了转捩带对进气道壁面热流密度、压强、隔离段入口处总压和马赫数分布的影响.数值计算与风洞试验在壁面压强、进气道总压和马赫数上吻合较好,在壁面热流密度上相差约35%.研究结果表明:钻石形和斜坡形转捩带都可以有效地实现强制转捩.此外,随着转捩带高度的增加,转捩区域逐渐前移,直至转捩带后缘.对于已经起动的进气道,转捩带对进气道下壁面静压几乎不产生影响,但会使得隔离段下壁面附近的总压和 马赫数有所下降,从而导致从隔离段入口直至整个隔离段的质量加权总压和流量均下降3.5%左右,而质量加权马赫数的下降量则并不明显,在1%左右.      

90°圆截面弯管内三维紊流场实验研究

用CTA热线风速仪和五孔探针, 对一曲率直径比R_c/D=0.87, 直径D=280mm的90°圆截面弯管内部三维紊流流场进行了详细测量和分析。给出了不同雷诺数下弯管内不同截面上时均速度场、紊流动能、总压及静压沿曲率半径方向的分布。      

附面层吸入式进气道内流动损失特性

用数值仿真手段，对进气道内流总压损失采用逐段对比分析的方法，研究了附面层吸入式（BLI）进气道相对于常规S弯进气道的内流总压损失特性。结果表明：进气道出口马赫数不变，较低来流马赫数和较高来流马赫数工况下（方案对应马赫数0.3以下和马赫数0.6以上），BLI进气道产生的流动损失比常规S弯进气道的大，差量达2.4%；中等来流马赫数工况下（本文方案对应马赫数0.3与马赫数0.6之间），BLI进气道产生的流动损失比常规S弯进气道的略小，差量在0.3%以内；流动损失特性间的差异是由于BLI进气道进口前壁面与进口低能附面流改变了进口段流动特性、及在S弯管道内发展的综合作用结果。     

基于中弧线曲率控制的压气机叶型优化

为提高压气机叶型优化设计水平,基于中弧线曲率控制方法编写了压气机叶片造型程序,将中弧线曲率控制参数作为优化变量,结合粒子群寻优算法对传统可控扩散叶型(CDA)进行了优化研究。结果表明:基于中弧线曲率控制的叶片造型程序能够对CDA叶型进行较好的拟合,拟合叶型的气动性能与设计要求较符。优化叶型在设计点的总压损失降低了约6.34%,优化叶型总压损失随攻角变化较为平缓。在一定攻角范围内,叶型中弧线曲率峰值的前移能够将吸力面马赫数峰值前移,提高叶型吸力面的扩压能力,降低总压损失。在大攻角工况下,改进的中弧线曲率分布能够显著降低叶型总压损失。将中弧线曲率控制参数作为优化变量进行CDA叶型的优化是可行的。     

宽高比对二元高超声速进气道性能的影响

对相同迎风面积、不同宽高比的二元高超声速进气道在设计马赫数6.0和非设计马赫数下的三维流场进行了数值模拟,研究了宽高比对进气道流场特征及性能参数的影响。结果表明,随着宽高比的增加,由于进气道长度和气流浸润面积的变化,内压段进口总压恢复系数、进气道流量系数和内部阻力系数逐渐降低;由于侧壁附近三维流动区域占整个流场的比例不同,当宽高比较小时,侧壁附近三维流动效应对进气道性能影响显著,进气道的总压恢复系数相对降低、增压比升高、温升比升高、出口马赫数降低,小宽高比进气道的低马赫数起动性能趋于恶化;设计马赫数下,宽高比的增加使二元高超声速进气道的反压承受能力降低。     

S形进气道中心线方程构造及其影响的研究

为了拓展s形进气道中心线的选择范围,根据S形进气道的几何边界条件,提出一种基于多项式形式的中心线造型方法。依据不同的中心线拐点位置,采用该方法构造九条有代表性的中心线方程,并建立相应的s形进气道的几何造型。通过对不同几何造型进气道的三维N—s方程数值计算,得到s形进气道的总压恢复和DC10等性能指标,并通过分析发现S形进气道中心线拐点位置对这些性能指标的影响。结果表明：随着中心线拐点位置向后移动,总压恢复系数得到提高,但出口不均匀程度变坏。     

S型进气道沿程结冰参数变化的数值模拟

采用欧拉-欧拉法,对低来流马赫数和大气结冰条件下S型进气道沿程的空气-过冷水滴两相流场进行了数值计算,获得了进气道沿程和出口面上结冰参数的分布和变化特征.计算结果表明:当来流马赫数从0.1增加到0.5时,进气道入口处附近相对于来流的气动降温从6K增大到17K左右,进气道出口面上的温度畸变指数逐渐增大,液态水含量畸变指数先急剧增大后缓慢减小,在研究范围内来流马赫数为0.2时液态水含量畸变值达到最大.      

基于壁面马赫数梯度的高超声速弯曲激波二维进气道数值研究

研究了一种壁面马赫数(Ma)呈线性分布规律的曲面压缩面,以此设计了高超声速弯曲激波二维进气道,并与同等条件下常规三楔压缩二维进气道进行了比较.数值研究结果表明:根据给定的壁面 Ma 线性分布规律和压缩面增压比,通过有旋特征线理论来设计压缩面的方法是可行的;与常规三楔压缩相比,此方法能改善压缩面附面层的稳定性,能有效缩短外压缩段的长度,并且其性能参数对来流 Ma 变化影响不敏感,特别是非设计状态下性能优势尤为突出.在接力点 Ma 下其流量系数达到0.783,比常规三楔压缩二维进气道提高13.2%,同时喉道截面总压恢复系数也提高4.5%.