速度梯度和近壁效应对压力探针测量误差的影响

通过模拟实验 ,分析了速度梯度和近壁效应对圆锥四孔压力探针测量误差的影响 ,通过量纲分析 ,导出速度梯度系数这一相似参数 ,用于研究梯度引起的测量误差。实验结果表明 ,横向、纵向梯度分别引起偏转角、俯仰角测量误差 ,梯度使气流方向测量值向负梯度方向偏转。速度梯度一般使静压测量值偏小 ,使总压测量值偏高。近壁引起的气流角和静压测量误差方向及大小 ,不仅和探针与壁面的相对位置有关 ,还和来流方向有关。近壁效应对总压测量影响不大。当探针头部中心距离超过二倍探头直径时 ,近壁效应的影响可以忽略。研究了近壁和梯度的综合对探针测量的影响 ,表明两者的影响不是简单的线性叠加。     

速度梯度、近壁效应和Re数对压力探针测量误差的影响

通过模拟实验研究, 分析了速度梯度、近壁效应和Re数对几种叶轮机流场测量用压力探针测量误差的影响。实验结果表明, 横向梯度能引起偏转角测量误差;纵向梯度能引起俯仰角测量误差;梯度使气流方向测量值向负梯度方向偏转。圆柱探针和锥形多孔探针相比, 气流方向测量误差对速度梯度更敏感, 纵向梯度对俯仰角测量值的影响尤其大。速度梯度一般使静压测量值偏小, 使总压测量值偏高。纵向速度梯度对圆柱探针的静压测量值的影响规律例外, 正速度梯度引起大的静压正误差, 负速度梯度引起大的静压负误差。圆柱探针比锥形多孔探针近壁效应严重。近壁引起测出的气流方向偏离壁面。近壁一般使静压测量值偏小, 但圆柱探针头部近叶轮机机匣时静压值反而偏高。近壁对总压测量影响不大。速度梯度和近壁对测量误差的影响还与来流方向有关。低Re数使静压测量值偏大, 几何形状不同的探针Re数的影响范围不同。      

航空发动机动态总压探针结构设计与优化

提出一种具有强化散热结构的短测管型总压探针方案，建立了总压探针的多物理场数值模拟模型，提出一种基于数值模拟和改进粒子群算法的总压探针结构联合优化方法，采用混合网格划分技术减少网格数量，以正态分布初始化粒子位置，同时增加种群学习因子和自适应邻域比例，提高算法的优化效率。数值仿真结果表明，数值模拟模型中网格顶点数量减少了47%，改进后优化算法迭代代数减少了37%，优化效率高，获得的总压探针结构满足温度约束，且长度短、质量轻。     

压力探针临壁效应的试验研究

在窄通道中测量时（如全台压气机试验），临壁效应会使压力探针的测量结果发生误差。对几种常用型式的压力探针的试验研究表明，由于探针多属非流线形物体，所以其临壁效应的机理与流线形的机翼不同，不应简单套用机翼临壁效应的结论。临壁效应所造成的测量误差与探针的形状有关。     

导流片结构参数对四通道环形进气先进旋涡燃烧室性能影响

四通道环形进气先进旋涡燃烧室（AVC）上下两个通道具有冷却燃烧壁面、中间两通道的靠近燃烧室轴线的通道面积小,在贫油燃烧时,一定程度上可充当值班火焰通道的作用。以导流片到前钝体上端面的距离与燃烧室进气通道高度之比 a/E、导流片伸入凹腔的长度与前钝体高度之比 b/H、导流片到前钝体后端面的距离与凹腔长度之比 c/L 为研究对象进行数值模拟,并分析导流片结构参数 a/E、b/H、c/L 不同时燃烧室的流场分布、涡结构、总压损失、燃烧效率。结果表明：随着 a/E 增大,燃烧效率不断提高,但总压损失系数也增大;b/H、c/L 对 AVC 性能的影响较小;当 a/E=0.3、b/H=0.4 及 c/L=0.2 时,燃烧室性能达到最佳;引入导流片后,凹腔内形成稳定的双旋涡结构,凹腔稳焰及燃气掺混有所增强,总压损失较小的同时燃烧效率大幅度提高。     

前可变面积涵道引射器特性的试验与数值模拟

为了研究主、次流的进口总压比及出口背压对前可变面积涵道引射器(FVABI)工作特性的影响与流动掺混机理,采用试验与三维数值模拟方法对不同进口总压比下引射器工作性能及掺混流场随背压变化规律进行了分析。结果表明:标准k -ε模型用于引射器掺混流场的模拟具有较好的准确性;进口总压比越大,引射器总压损失越大;进口总压比不变,随背压增加,引射器总压损失先减小后增加;进口总压比不变,引射器在背压变化过程中存在总压损失最小点;背压减小时,引射器存在临界工况点,且进口总压比越大达到临界工况点的背压越大,可变涵道比的范围变窄;主、次流掺混过程主要集中在沿气流方向上x/l=03~06位置之间,在黏性力作用下动量、质量充分交换,沿流向截面速度径向分布趋于均匀。     

压力探针临壁效应的试验与计算

临壁效应会使压力探针的测量结果发生误差，由于探针属非流线形特体，所以其临壁效应的机理与流线形的机翼不同，不能简单套用机翼的结论。对圆柱三孔针的试验结果表明，可以用叠加点涡的方法来描述其临壁效应，点涡强度随离壁距离的减少而增强。     

超燃冲压发动机不同燃烧室结构流场数值模拟

对带不同长深比凹腔结构（燃烧室）的二维超燃冲压发动机流场进行数值模拟,采用迎风二阶精度NND格式求解二维欧拉方程,对流场进行冷态数值计算,能够更加清楚地捕捉、分析激波的特点,反映流场的状态和旋流特点;结果证明凹腔可以使流场中形成低速高压回流区,以达到燃料混合燃烧的目的。凹腔长深比对流场特性、总压恢复、燃烧室阻力影响显著。随着长深比的越大,凹腔旋流强度越强,总压损失越大,燃烧室阻力越大。     

尾缘喷气方式对涡轮叶栅气动性能的影响

以某涡轮叶栅为研究对象,采用试验和数值模拟相结合的方式研究了涡轮叶片不同喷气结构对叶栅性能的影响。对半开缝和对开缝两种尾缘冷气喷射的研究表明:当冷气流量比较小时,有一个总压损失随冷气量增大先增加后减小的趋势:当冷气量较大时,冷气造成的总压损失随冷气增大而减小。在相同条件下,半开缝叶栅出口的总压损失系数小于对开缝叶栅出口的总压损失系数。叶栅出口平均气流角随着喷气比的增大呈减小的趋势,但变化范围很小。     

叶型上局部凸起对扩压器性能影响的数值研究

借助CFD数值模拟技术,对四种常规叶片扩压器（不同凸起位置）内部流场进行了数值模拟,研究了不同凸起位置对扩压器性能的影响,讨论了改变叶片凸起位置对扩压器静压恢复系数、总压损失系数等性能参数的影响,以为小型/微型发动机的叶片扩压器的优化设计提供一定的参考价值。结果表明,当叶片扩压器产生局部凸起时,在流动进入叶片扩压器凸起截面后面产生了低速流动,导致了明显的总压损失,使得叶片扩压器的效率降低。叶片中间产生凸起对于叶片扩压器的总压损失最高。在工程实际中叶片扩压器如果产生局部凸起,尽量选择在叶片前端。     

翅片安装高度对共转盘腔减阻特性影响的数值研究

为了探索翅片安装高度变化对共转盘腔径向内流总压损失的影响规律,对不同转速、翅片径向安装高度下的去旋系统展开了数值研究,得到了不同工况下径向内流共转盘腔的流场结构及总压损失分布曲线。研究结果表明:翅片安装高度能够影响盘腔内部旋流比分布情况,翅片吸力面流体的旋流比大于压力面侧;随着翅片安装高度的升高,减涡器的总压损失先减小后增大;在所研究工况及结构参数下,翅片下端径向高度与盘腔高度比值为0.476时减涡器的减阻效果最好,压力损失系数降低16%左右;在一定条件下,翅片式减涡器总压损失主要集中在翅片所在盘腔分区;翅片上端和下端盘腔分区总压损失对减阻性能的影响起决定性作用,且上端的影响大于下端的影响。     

七孔探针测量剪切流场的误差分析和实验验证

有限直径的七孔探针在测量剪切流场时,会引入系统误差.本文通过数值模拟的方法,建立三维七孔探针模型,研究了平行流场的速度梯度、七孔探针直径、滚转角等因素对测量结果的影响,并进行误差分析.在实验中,本文选用典型的平行剪切流场——圆管射流——验证误差分析的结果.通过七孔探针测量剪切流场的实验,确定七孔探针对于剪切流场的空间分辨率.提出了七孔探针的“临界直径”的概念,并且绘制了误差随速度梯度和探针直径变化的曲面示意图,用以选择合适尺寸的七孔探针.     

燃烧室分配器式扩压器性能数值研究

高性能航空发动机燃烧室进口马赫数的不断提高会导致扩压器总压损失急剧增加,设计了一种新型的燃烧室扩压装置—分配器式扩压器,采用CFD方法对其进行了数值模拟,重点研究了分配器式扩压器的总压损失,结果表明,数值模拟结果与理论分析相吻合,并且在Ma高达0.36时,设计的分配器式扩压器矩形结构的总压损失为4.79%,小于短突扩扩压器的总压损失,可以满足高性能发动机对燃烧室扩压器性能的要求。     

船舶燃气轮机进气系统中过滤装置数值模型化处理方法研究

为了研究船舶燃气轮机进气系统中,过滤装置数值模型化处理方法的模拟精度及其适用性。针对一种双通道船舶燃气轮机进气系统,分别采用Fan边界和多孔介质模型方法对过滤装置（百叶窗、滤清器）的复杂结构进行处理,开展进气系统内流场特性的详细数值计算研究。结果表明：进气系统大部分总压损失源于燃烧空气滤清器产生的总压损失和竖井中的流动损失;与Fan边界相比,多孔介质模型方法能够获得更贴合实际的进气系统流场,对系统总压损失的预测更具可靠性;两种方法计算出的进气系统流动损失相差不超过10%;使用Fan边界需保证过滤装置不产生明显的整流作用,且压力损失实验数据完备,而选用多孔介质模型需要已知过滤装置阻力系数、孔隙率等物理参数。     

民用飞机总压探头布局位置气动分析方法

民用飞机通过机载大气数据传感器测量飞机所处环境下的大气总压与静压，并计算空速。为研究民用飞机总压传感器布局位置的气动特性，采用CFD数值计算手段得到不同迎角和侧滑角工况下机头附近的流场，通过候选总压探头布局位置的局部气流角度和探头总压损失曲线获得不同工况下的总压损失和空速误差。当局部角度曲线斜率低且各曲线聚集时，是总压探头的理想最优布局位置，探头局部气流角对迎角和侧滑角均不敏感，能同时保证横向和纵向气动特性最优；通过探头位置的局部气流角度并结合风洞试验获得的总压损失系数分布曲线进行总压损失预估，该方法对总压损失的预测准确有效,预测精度满足要求，可用来进行空速误差估算；总压探头布局位置的选取需结合民用飞机实际运行的侧滑角/迎角包线综合判断。     

水平井变质量流动压降规律实验研究

水平井由于壁面孔眼流体的流入,造成沿水平井筒为流量不断增加的变质量流动。通过室内模拟实验,采用螺旋射孔钢管为实验管材,对壁面孔眼入流对主流压降的影响进行了研究。研究结果表明：随着注入比的增加,管中压降增大;由于入流与主流的掺混,将会造成一定附加压降,该值的大小与加速度压降和注入比两者间的比值成线性关系。考虑不同注入比条件,建立了井筒流动压降新模型,井筒中流动总压降为射孔管摩阻压降与附加压降两者之和,模型计算结果平均相对误差仅为7.5%,精度高于其他理论模型,从而为井筒流动和油藏流动耦合计算提供理论支持。     

涡轮叶栅下游二次流损失增长的研究

本文采用了一低速涡轮叶栅在下游若干平面上测量了二次流的总压损失。经研究分析,得出了一套损失的经验公式,并与国外已发表的二次流损失关系式作了比较,对其中存在的疑点提出了看法。试验中采用一小型Kiel快速响应的压力探针,在微机控制下,迅速得到各个截面的总压损失系数平均值,大大提高了测量的速度和精确度。      

基于DES方法的高超声速激波/边界层干扰的双微楔控制数值研究

高超声速飞行器在流场中通常会伴随激波/边界层干扰(SWBLI),其引发的流动分离将导致进气道性能下降。采用湍流离散涡模拟(DES)方法、结合有限体积离散方法与自适应网格加密(AMR)技术对来流马赫数为7.0的流场中SWBLI诱导的流动分离进行数值模拟,并分别采用单、双微楔对其进行控制。针对流场结构、近壁面流向速度、压力梯度及总压损失等参数,分析讨论了不同双微楔流向安装位置对SWBLI的控制效果。研究结果表明:双微楔产生的流向涡对与涡对之间的相互诱导促进了各自流向涡对之间的卷吸作用,使得双微楔对分离气泡的消除效果优于单只微楔;流动总压损失系数随着微楔后缘与分离气泡中心的距离的减小呈先减小后增加的趋势;综合讨论流向涡强度与形状阻力的影响,得到了双微楔最佳流向安装位置。     

分流器对进气粒子分离器性能的影响

为了揭示分流器位置及形状对进气粒子分离器(IPS)性能的影响,采用Realizable k-ε湍流模型对IPS进行了数值模拟,得到了分流器沿轴向移动及径向移动对IPS流场、分离效率、总压损失的影响,在此基础之上,研究了分流器唇口处与内壁面最高点轴向距离及径向距离的比值及分流器形状对IPS的影响,结果表明:比值较大时,随着轴向距离的增加,总压损失呈下降趋势,且下降梯度较大.当比值较小时,总压损失呈先减小后增加的趋势;与未改变分流器形状相比,分流器形状改变后总压损失有所降低,分离效率提高,并且分流器唇口处最高马赫数有所降低.      

亚声速无人机S弯进气道的多点多目标优化设计

为提高亚声速无隔道式S弯进气道的整体气动性能,本文以提高总压恢复系数和降低畸变指数为设计目标,结合高精度数值模拟方法与第二代非劣排序遗传算法（NSGA-II）,开展了无隔道式S弯进气道在马赫数0.25和0.7时的多目标优化设计。整个优化流程基于400个样本,最终得到四幅有效Pareto前沿图。从总压畸变Pareto前沿图中选取出优化算例并与原始进气道进行对比,结果表明：优化后的进气道中心线斜率入口段小、出口段大,而横截面面积分布的曲线斜率恰好相反;优化后的进气道低压区缩小、流动分离得到有效的控制;虽然总压恢复系数提高有限,但是总压畸变得到大幅降低,在马赫数为0.25和0.7时,分别降低15.86%和23.61%。优化后的进气道在马赫数0.25~0.7范围内的整体性能得到有效改善。本文把优化设计方法进一步推广应用于3个马赫数下的多点多目标优化设计,并得到了三维Pareto前沿图。