Experimental investigation of cavitation instabilities in inducer with different tip clearances

To investigate the effect of tip clearance size on cavitation characteristics in a turbopump inducer, a series of experiments have been conducted in a newly developed visualization test facility using room temperature water as working fluid. The pressure fluctuations near the tip region were collected, and the cavity structures under various conditions were documented by a high-speed camera. It is found that large tip clearance distinctly reduces both the non-cavitation and cavitation performance. Three cavitation instabilities, super-synchronous rotating cavitation, synchronous rotating cavitation and cavitation surge have been carefully identified through combination of cross-correlation analysis of pressure signals and visualization results. Large tip clearance displays a remarkable stabilization effect on pressure fluctuation, cavitation surge totally disappears, and the range of occurrence of synchronous rotating cavitation becomes smaller for the large tip clearance, whereas super-synchronous rotating cavitation only occurs in the large tip clearance. The cavitation areas are smaller at large tip clearance, while the flow channels are more seriously choked when cavitation occurs heavily in comparison with those at small tip clearance, which may be responsible for the worse cavitation performance.     

水下冲击波聚焦作用下空化效应的实验研究

冲击波聚焦在聚焦区域形成局部较高压力的同时还会在焦区产生空化效应。基于旋转椭球面反射罩及置于其焦点的水中脉冲放电声源建立了水下冲击波聚焦系统。通过压力传感器测量了反射罩轴向的压力历程曲线及峰值压力分布。同时,搭建了高速摄影所需的光学装置,拍摄了空化现象的高速摄影图片,对水下冲击波聚焦过程和空化汽泡的产生、发展及湮灭的整个过程进行了研究。对压力历程曲线和高速摄影所得结果进行对比分析得到空化现象产生的物理过程。实验结果表明：负压是空化现象发生的主要原因,空化汽泡的塌缩时间与汽泡半径存在线性关系,并且汽泡膨胀阶段持续的时间大于塌缩阶段持续的时间。     

螺旋槽对诱导轮气蚀性能影响研究

为了提高诱导轮的气蚀性能,设计了一种带螺旋槽的壳体结构,通过试验获取了诱导轮安装螺旋槽后的水力性能和气蚀性能,采用快速傅里叶变换方法 (FFT)对入口脉动压力进行了分析,并与安装J型槽的诱导轮进行了对比。结果表明:同流量下,带螺旋槽诱导轮扬程升高,同时螺旋槽能改善诱导轮的气蚀性能,并且在设计流量Q_d和1.1Q_d工况下对同步旋转气蚀产生抑制作用,但在0.8Q_d工况下,螺旋槽对同步旋转气蚀的抑制作用弱于J型槽。     

基于对流换热的低温空化流动数值模拟研究

为了考虑低温介质的热力学效应对空化发展的影响,基于气泡表面对流换热平衡建立了温降与气泡生长的关系,引入夹带理论估计了对流换热系数,并对一种输运型空化模型进行修正,将修正后的空化模型以二次开发的形式嵌入至商业软件中,同时引入能量方程源项以及物性参数随温度变化关系,对二维翼型表面空化流动进行数值仿真,通过与实验结果的对比,发现计算结果与实验结果符合较好,修正后的空化模型能够更好地预测空化区内温度的分布,最大温降偏差由62.18%降低至7.14%,平均温度偏差由0.59%降低至0.28%。考虑热效应之后,空化区主要由气液混合组成,来自主流的液体一部分经对流传递至空化区,一部分在翼型头部和气液界面处发生空化形成蒸汽,导致空化区气相体积分数显著减小,空化区与主流之间的界面变得模糊,最大温降和压降均发生在翼型头部位置。     

伴随气泡和气穴低压管路瞬态的建模与分析

在航空航天液压系统中,为了合理地预测伴随气泡和气穴低压管路压力瞬态脉动,给出了用来描述管路流动瞬态特性的数学模型.采用有限差分法实现了偏微分方程中空间域的偏导,并建立了计算有效体积弹性模量、摩擦阻力项、气泡和气穴体积的数学模型.利用遗传算法对模型中三个参数即油中的初始气泡体积、气体析出时间常数和气体溶解时间常数进行参数辨识,得到了参数辨识以后的低压管路压力瞬态脉动模型.通过对仿真结果和实验结果的分析比较,表明该低压管路瞬态模型用于计算伴随气泡和气穴的压力瞬态脉动是可行的.      

Optimal location and shape definition of elliptical ventilation openings on aero engine turbine rotors with stress concentration effect

The aero engine turbine rotors are under strong centrifugal load and the highest thermal load. The ventilation openings on the rotors are inevitable, because air flow need to pass through them to cool the temperatures down and keep the air pressure balanced in internal aero engine. The ventilation openings will lead to stress concentration effect. In this paper, the stress concentration factor of elliptical opening on rotating disc is deduced by superposition method. How to define the optimal lo...     

Impact of a cavitation bubble on a wall

Impulse action of a cavitation bubble on a rigid wall is studied depending on the distance between them. We determine the distances at which the periphery pressure maximums on a wall are preserved as well as the distances at which these maximums exceed the water hammer pressure.     

液体火箭发动机诱导轮旋转汽蚀分析

超同步旋转汽蚀和次同步旋转汽蚀是液体火箭发动机诱导轮旋转汽蚀现象的两种类型。为了揭示它们之间的差异,完成了Tsujimoto旋转汽蚀计算模型的理论求解,开展了旋转汽蚀现象的数值计算。结果表明,旋转汽蚀两种类型发生时,质量流量增益系数M都发生周期性变化。当超同步旋转汽蚀发生时,M>0;而当次同步旋转汽蚀发生时,M值的变化范围更广。由于在设计工况点附近,通常有M>0,因此在多数情况下很难观测到次同步旋转汽蚀。     

水下超声速燃气射流气泡的生长及压力波传播特性实验研究

为获取燃气射流对上游水域的影响特性,采用燃气发生器和水下实验系统,研究了水下超声速燃气射流的气泡生长及演变过程,以及气泡压力波在水中的传播特性,并研究了压力波在水介质中的衰减规律。研究表明,燃气泡生长和"破碎"伴生着压力脉动在水介质中传播,气泡压力波的能量在水介质中快速衰减。     

液体火箭发动机高转速诱导轮旋转空化

诱导轮是提高液体火箭发动机泵抽吸性能的重要部件,而高速诱导轮中出现的旋转空化现象有时会严重影响涡轮泵的正常工作。利用基于Rayleigh-Plesset方程的混合流体模型对某诱导轮2D叶栅中的非定常空化流动进行了计算,模拟了迁移速度比约为1.0~1.4的旋转空化现象,并对其内在机理进行了分析。通过水力实验,利用非稳态信号时-频谱分析技术,捕捉到多种工况下旋转空化的动力学特征,同时观测得到该非定常现象的发生区间和其它特性。     

对气液二相流音速的进一步研究

测量小药量电雷管爆炸压力波的传播速度,再修正到音速。结果表明:气液二相流音速比单相液体或空气介质低得多,流动机构对音速变化有显著影响。对低气泡率泡状流,音速与均匀流模型导出的结论相一致。随气泡率增加,流动机构改变时,音速值变化很大。     

Unsteady Flow and Pressure Pulsations in a ModelAxial-Vortex Stage Inducer

In consideration of improving cavitation capacity of centrifugal pump to inhibit pressure pulsations, vibrations and dynamic loads in flow passing areas, alleviating damages of reusable liquid rocket engine turbo-pumps caused by cavitation erosion and satisfying the requirements of high rotation speed, low inlet pressure, small sizes and light weight, three dimensional simulations of unsteady pressure pulsation and cavitation capacity are carried out to a single screw inducer and an inducer with axial-vortex stage utilizing CFD methods. The results show that compared with single screw inducer, inducer with axial-vortex stage has 25% higher cavitation coefficient, 30% higher initial cavitation coefficient and lower pressure pulsation of blade passing frequency in the outlet of inducer, which all prove that cavitation capacity is obviously ameliorated.     

非均匀间隙下进气畸变对风扇性能的影响

引入真实进气道的进气总压畸变,分析了偏心形式周向非均匀间隙下,畸变区相对位置对风扇流场的影响。结果表明,畸变流的影响总滞后于进口畸变位置,滞后角约为90°,在原有非均匀间隙流场中最恶劣的流动位置附加畸变流,对风扇性能的影响是最大的,且旋转失速与周向间隙收敛扇区的流动密切相关,推断一旦从大间隙到小间隙过程中无法将叶尖高熵溢流耗散,风扇转子将进入失速。     

圆盘旋转爆震燃烧室中爆震波传播模态

本文的目的在于通过求解14组分19步CH4/O2反应的欧拉方程去研究燃料喷射温度、压力、燃烧室内外直径比值和燃烧室径向长度对圆盘结构下旋转爆震传播模态的影响。研究表明,只有预混气喷射温度范围为500-900K,喷射压力范围为0.5-3.5MPa的条件下能够在固定燃烧室内形成连续的旋转爆震波。受燃烧室结构影响,旋转爆震波的传播模态分为稳定模态和非稳定模态。整个非稳定传播模态根据爆震波对前周期的干涉又可以分为干涉阶段和不干涉阶段。在不干涉阶段,爆震波传播速度略高于Chapman-Jouguet (CJ)速度;在干涉阶段,爆震波传播速度低于CJ速度且爆震波被间断面分割成两部分。非稳定模态爆震波传播速度小于稳定模态,而爆震波夹角、燃烧室出口面积比则反之。     

旋转盘应力水平与温度分布的关联分析

基于有限元的热-弹性耦合算法,在等冷气耗量条件下,对旋转轮盘内应力水平与其表面温度分布的关联性进行了数值研究.在转速为 000 r/min,内、外缘温度分别为00℃和50℃条件下,盘面温度沿半径方向采用不同的"V"形变化时,得到了盘内等效应力水平随盘面温度分布变化的规律.计算结果表明:采用"V"形变化的盘面温度分布可以有效地降低盘内应力水平,说明了盘内应力水平与盘表面的温度分布存在着较强的关联性,在保证航空发动机整体气动性能的前提下,通过控制涡轮盘表面温度分布来有效降低轮盘的应力水平是可行的.      

基于两相流理论滑动轴承动力特性求解

将计算流体动力学(CFD)两相流与动网格技术应用于滑动轴承动力特性数值求解,建立了基于CFD两相流滑动轴承动力特性求解模型,该模型无需设定油膜破裂边界条件且更能准确模拟滑动轴承流场特性.比较了单相流与两相流滑动轴承压力分布特性,计算分析了滑动轴承气穴分布特征及其影响因素,研究了两相流模型对滑动轴承动力特性的影响.计算结果表明:气化比例随着转速、偏心率和气化压力的增加而迅速增大,随进口压力的增加而缓慢减小.考虑两相流后,直接刚度系数增加,交叉刚度系数减小,直接与交叉阻尼系数均减小.随着偏心率的增加,单相流与两相流动力特性系数求解结果偏差增大.      

绕水翼空化非定常动力特性的时频分析

为了解绕水翼附着空化的流体动力特性,用实验方法研究了绕水翼的空化流动现象。实验在空化水洞中完成,采用高速摄像技术观测了不同空化阶段的空穴形态,并测量了水翼所受的升阻力。利用时频分析中的Choi-Williams变换和小波变换对水翼升力信号进行了分析处理,得到了水翼升力信号在不同空化阶段的时频特征。结果表明：在不同的空化阶段,对应于各种不同的空化形态,其流体动力的频谱特性也表现了不同的特点。在没有空化产生时,水翼升力的时频无规则,升力随时间的变化不存在周期性;在片状空化阶段,升力信号变化的频率随着空化数的减小而减小;在云状空化阶段,空穴波动增强,升力信号的周期性更加显著,而此时频率基本不随时间和空化数变化。     

壁温对隔离段激波串振荡的影响

为了探索存在换热条件下超燃冲压发动机隔离段内部的复杂流动机理，采用2阶精度的非定常数值模拟程序研究了壁温对隔离段内部激波串振荡特性的影响。结果表明:压力振荡曲线与激波串前缘位置之间存在紧密关系。此外，随着壁温升高，隔离段壁面压力振荡的频率减小、振幅增加。研究还发现，隔离段压力振荡标准差最大值位于激波串前缘激波及其与上下壁面边界层相互作的位置，而湍动能最大值则分布在分离区后侧剪切层区域内。      

环缝宽度对两相旋转爆轰波压力与频率特性影响实验研究

为了研究空气喷注环缝宽度对两相旋转爆轰波压力与频率特性的影响,通过改变环缝宽度与当量比开展了大量实验研究。旋转爆轰发动机环形燃烧室外径、内径以及长度分别为204mm、166mm和155mm。汽油和高温空气采用高压雾化喷嘴与环缝对撞喷注的方式进行混合,以此提高推进剂的掺混效果与活性,发动机采用预爆轰管作为点火装置。实验通过燃烧室内测得的高频动态压力信号,对两相旋转爆轰波的传播稳定性、压力特性以及频率特性进行了详细分析。实验结果表明:在不同环缝宽度下均实现了高总温空气与汽油的两相旋转爆轰。当环缝宽度为3mm和4mm,旋转爆轰波平均峰值压力与传播频率均随着当量比增大而增大;增加环缝宽度至6mm,爆轰波传播稳定性变差,平均峰值压力与传播频率随当量比先增大后减小。当环缝宽度为4mm,获得的旋转爆轰波平均峰值压力最高,压力脉动强度最小,爆轰波传播稳定性最强。在一定工况范围内,增加当量比可有效降低爆轰波峰值压力脉动强度。此外,随着空气环缝宽度的增加,爆轰波传播频率整体降低。当环缝宽度为3mm,当量比为1.19时,爆轰波以单波模态在环形燃烧室内连续旋转传播,平均传播速度约为1176.6m/s,爆轰波传播速度存在严重亏损。     

高度对航空发动机地面试验性能的影响

本文简要分析了海拔高度对航空发动机地面试验性能的影响和研究该影响的两种方法的优缺点。在此基础上提出了利用高空台压力调控的独特优势,通过不同进口压力对发动机定冲压比性能影响研究来确定其影响的研究方案。某型发动机的试验结果表明,在发动机冲压比1.6、风扇换算转速94.5%96.5%条件下,进口总压在7090 kPa之间得到的发动机换算性能基本一致。这表明环境压力在70 kPa以上（海拔高度3 km以下）时,对研究的发动机而言已经工作在雷诺数自模区,即环境压力的变化对试验换算性能的影响可以忽略。从而,可以利用海拔高度3 km以下的地面试验来确定研究发动机在标准大气海平面静止空气条件下的性能。