凝结相变对低温风洞雷诺数试验的影响

为了研究凝结相变对低温风洞雷诺数试验能力的影响,基于Fluent软件建立了气-液两相凝结流动模型,相变模型采用考虑非等温效应修正的经典成核理论和Gyarmathy液滴生长理论;针对不同来流压力和不同试验雷诺数工况条件,对氮气绕流NACA 0012翼型进行了数值模拟。模拟结果表明:随着来流温度的降低,翼型附近区域气体膨胀越过气态饱和线并达到过冷状态,进一步降低来流温度则会在宏观层面上观测到凝结相变对当地流场的改变,与无凝结相变的流场相比,释放的潜热加热气流导致马赫数降低及压力系数的改变;在确保不破坏翼型气动性能试验的前提下,充分利用气体过冷区域来降低来流压力以此减少驱动功率和液氮喷入量是可行的,或者保持来流压力不变提升低温风洞的试验雷诺数。     

水蒸汽凝结对超声速风洞蒸汽引射系统的影响

蒸汽引射方案是引射式超声速风洞的可选方案，为考察该方案产生凝结激波的条件及其水蒸汽凝结对引射系统性能的影响，在Fluent平台上采用自定义模块耦合希尔动量模型，编写了能模拟高速气流中水蒸汽凝结的计算程序。校验了数值模型和方法的可靠性。在此基础上，对蒸汽引射流场内的水蒸汽凝结问题进行了初步数值研究。得到喷管、引射流场参数以及液滴质量百分数、结核增长率的分布。结果表明：（1）水蒸汽凝结主要发生在引射喷管和喷管出口膨胀区中。其中，在引射喷管内的蒸汽凝结占大部分。凝结核增长为主要特征。（2）初始结核区位于超声速气流是凝结激波产生条件。采用饱和蒸汽引射可避免产生凝结激波。（3）尽管是否考虑凝结／无凝结效应会造成引射流场产生差异，但两者总体相似。（4）水蒸汽凝结会给引射系统带来较大的性能损失，但通过改进气动轮廓可减小其影响。     

燃烧加热风洞中水蒸气相变的数值研究

采用带有非平衡相变模型和考虑高温气体效应的平衡流动模型的数值方法,模拟了燃烧加热高超声速风洞中燃烧生成的水蒸气在喷管流动中发生相变的物理过程,研究了水蒸气凝结对下游流场参数的影响和凝结后气流进入试验段时尖劈模型斜激波后发生液滴蒸发两种典型情况。研究表明,凝结产生的潜热使试验气流参数偏离初始设定的风洞出口模拟流场;在流场中产生的凝结激波,将加剧凝结对风洞出口参数的均匀性的影响;对出口马赫数为6的喷管,为了模拟静温为220K的高超声速飞行环境,水蒸气的凝结将难以避免;带液滴试验气流经斜劈压缩后液滴蒸发,斜激波后气流热力学参数不能恢复到无相变时斜激波后的状态,将影响模型实验的测力等数据。     

湿空气凝结对ONERA M6机翼气动特性影响的数值研究

大气飞行条件下机翼附近的跨声速湿空气流动中空气中含有的水蒸汽可能越过饱和线而发生非平衡凝结。水蒸汽凝结潜热加热气流会改变跨声速流动的特性,从而对机翼气动特性造成显著影响。本文建立了湿空气非平衡凝结流动的数学物理模型,对ONERA M6机翼在跨声速条件下的湿空气非平衡凝结流动进行了分析。结果表明,与干空气流动相比,在攻角为3.06°和空气相对湿度为50%时,ONERA M6机翼表面压力系数有显著变化。造成机翼气动特性显著变化的原因在于:湿空气中水蒸汽凝结放热对跨声速气流加热,导致机翼表面附近的流速、压力与流场结构发生了显著变化。     

用光散射效应分析激波管内膨胀率对水蒸气成核与凝结的影响

用多重光散射法对水蒸气在激波管中的自发成核凝结过程进行了实验研究，分析了膨胀率对成核率和凝结过程的影响。根据理论计算和实测数据结果，所得结论是：膨胀率增大。会造成过饱和度、成核率、凝结质量份额和液滴生长率相应地增大。     

结冰风洞中液滴相变效应数值模拟

为明晰结冰风洞中液滴相变效应,发展了基于Euler法的气液两相传质传热耦合流动计算方法,探索了3 m×2 m结冰风洞主试验段构型相变效应对液滴传热过程的影响,开展了参数影响研究,评估了试验段内液滴过冷状态。结果表明：构型内液滴经历了先蒸发后凝结两个阶段,蒸发效应促进了准一维传热阶段液滴温度的下降趋势,使液滴温度趋于湿球温度,而凝结效应则抑制了三维收缩阶段液滴温度的下降趋势,进而增大了试验段液气温差,影响液滴过冷状态;增大初始相对湿度和试验段气流速度,会导致蒸发效应减弱而凝结效应增强,进而增强了相对湿度和气流速度对液滴过冷状态的影响程度,与此相反,初始液滴尺寸的增加,则会导致蒸发效应和凝结效应均减弱,进而减弱了液滴尺寸对液滴过冷状态的影响程度;在典型工况下,小尺寸液滴（液滴直径范围为40~100 μm）在高风速时（试验段气流速度大于164 m/s）将偏离过冷状态（液气温差超过3℃）。     

矩方法及其在水凝结研究中的应用与发展

矩方法(Method of Moments,MOM),又可以称作内部坐标矩方法,通过求解液滴尺寸分布函数对内部坐标的各阶矩的输运方程,反映粒子数量及尺寸分布的演化。在各种有关伴随凝结流动的数值方法中,矩方法兼顾了计算效率和液滴分布信息,因此被广泛应用于水凝结的研究。本文首先介绍了经典矩方法,综述了矩方法的最新发展。然后应用经典凝结矩方法,研究了伴随同质凝结的Prandtl-Meyer膨胀流动问题,计算发现随着来流水蒸气饱和度的提高,凝结诱导的激波由定常状态向非定常状态转变,出现自激振荡现象;进一步,将经典凝结矩方法推广到异质凝结领域。通过引入"瞬间活化"假设,简化了异质成核模型,将此方法应用到伴随异质凝结的激波管问题中,进行了参数研究,加深了对异质凝结和流动相互作用的认识;最后针对经典矩方法无法处理相间相互作用的问题,将经典矩方法中的矩方程改写为基于液相平均速度的形式,发展了一套考虑相间质量、动量、能量交换的矩方法,应用此方法研究了伴随同质凝结的旋涡运动问题,分析了旋涡中凝结的产生过程,以及凝结与流动相互作用对液相分布的影响,计算结果显示了凝结生成的液滴在离心力作用下离开旋涡中心的现象。     

水蒸汽亚毫秒级凝结实验研究

为模拟高超声速风洞中水蒸汽凝结现象,设计了一种基于稀疏波反射原理的凝结实验系统,采用“空间等效时间”思想,在固定位置测量流场随时间的变化,实现了0.14～1.4ms亚毫秒时间尺度的凝结。通过吸收光谱测量方法实现了凝结过程中流场温度、水蒸汽含量的高时间分辨率（100kHz）测量,对小时间尺度凝结现象的影响因素进行了分析。结果表明：不同亚毫秒时间尺度下凝结规律相同;水蒸汽含量或试验段初始压力增加,凝结发生越快,即喷管中的凝结位置越靠前,而发生凝结时的拐点温度越高;初始压力与水蒸汽含量不变时,压力下降速度越快,发生凝结位置越靠前,发生凝结时拐点温度相同。     

氢燃料燃烧加热风洞中水蒸气相变效应的数值研究

为明晰氢燃料燃烧加热风洞中的水蒸气相变效应,采用同时考虑凝结和蒸发相变模型的多组分输运可压缩流动数值模拟方法,研究了超声速喷管内的水蒸气凝结过程以及凝结气流再蒸发对典型压缩构型(二维斜劈、三维斜劈和圆锥)流场参数及气动力的影响。结果表明:氢燃料燃烧加热风洞喷管气流中,水蒸气在较低总温条件下确实存在较大程度的凝结相变,但同时在斜劈激波压缩后也存在较强的蒸发相变;凝结会使喷管流场参数发生较大偏离,但再蒸发效应又会使气流经过斜劈压缩后趋近理想状态,趋近的程度受到压缩程度的影响。本文计算条件下,喷管内水蒸气相变导致出口参数偏差大于10%,但经过12°斜劈压缩后,流场参数以及表面气动力可恢复到理想状态的95%以上,此时相变的影响基本可以忽略。     

超声速气流中简化微小液滴横向喷射的汽化过程探索

为研究超声速气流中简化液滴的汽化过程问题,本文分析了两相流计算中已有的两相传热模型,并对简化液滴绕流开展数值计算.在来流Ma≤0.6的条件下,数值计算得到的简化液滴-气流之间的传热速率与已有模型得到的结果相一致,而在来流Ma≥0.9的条件下,数值计算得到的简化液滴-气流之间的传热速率与已有模型得到的结果存在很大偏差.由此建立了考虑简化液滴与气流相对超声速相互作用的两相传热模型.进一步,采用Charles B.Henderson阻力系数关系式与新建立的传热模型,对不同直径简化液滴的运动与汽化开展工程计算.在来流2.7Ma的二维平板超声速流场中选取一个截面,作为气相流场,结果显示,(1)简化液滴与主气流存在相对超声速作用.当简化液滴直径dk≤0.12mm时,作用区域约为0.1m～0.4m,当dk>0.12mm时,作用区域明显增大,(2)简化液滴的穿透尺度不超过0.011m/m(深度/长度),时间尺度约为0.28ms～3ms,(3)简化液滴完成汽化的空间尺度约为0.1m(dk>=0.03mm)、0.45m(dk>=0.05mm)与1.24m(dk>=0.075mm),而当dk>0.09mm时,简化液滴完成汽化的空间尺度则大于1.9m.使用考虑简化液滴与气流相对超声速相互作用的两相传热模型与使用传统的传热模型对简化液滴的运动轨迹没有影响,而对简化液滴的汽化过程有较大影响.     

内置开孔隔墙的高速铁路隧道压力波数值模拟方法

基于一维可压缩非定常不等熵流动模型、薄壁孔口出流模型以及广义黎曼变量特征线法,发展了单列车通过内置开孔隔墙隧道的压力波数值分析方法.与国外试验结果比较验证本文建立的计算方法的正确合理性基础上,通过对不同开孔率的计算得出采用过大的开孔率将导致一维流动模型计算时出现较大的数值振荡,分析了计算结果震荡可能的—维流动模型适用性的原因.同时,通过对隔墙中开孔和不开孔的模拟计算,得出隔墙开孔可较大幅度的减缓压力波,为今后研究和隧道内设置开孔隔墙提供了有益的启示.     

Influence of SPS casing treatment on axial flow compressor subjected to radial pressure distortion

The present work is about the stall margin enhancement ability of a kind of stall precursor-suppressed (SPS) casing treatment when fan/compressor suffers from a radial total pres-sure inlet distortion. Experimental researches are conducted on a low-speed compressor with and without SPS casing treatment under radial distorted inlet flow of different levels as well as uniform inlet flow. The distorted flow fields of different levels are generated by annular distortion flow gen-erators of different heights. The characteristic curves under these conditions are measured and ana-lyzed. The results show that the radial inlet distortion could cause a stall margin loss from 2% to 30% under different distorted levels. The SPS casing treatment could remedy this stall margin loss under small distortion level and only partly make up the stall margin loss caused by distortion in large level without leading to perceptible additional efficiency loss and obvious change of charac-teristic curves. The pre-stall behavior of the compressor is investigated to reveal the mechanism of this stall margin improvement ability of the SPS casing treatment. The results do show that this casing treatment delays the occurrence of rotating stall by weakening the pressure perturbations and suppressing the nonlinear amplification of the stall precursor waves in the compression system.     

低Weber数射流撞击雾化的数学模型

通过分析低Weber数无粘射流撞击形成液膜雾化的特征, 由质量守恒和动量守恒, 并借鉴前人的理论和实验结果, 推导出Taylor心形波作用下计算液膜厚度和形状的近似解析式, 数值计算结果与文献所给实验数据基本吻合一致。结合矩形喷孔形成的扇形液膜的破碎理论, 进一步计算了不同撞击角下雾化形成液滴尺寸的大小及分布。      

高空模拟试验舱中燃气流动过程的分析与计算

以一维等熵流动理论为基础,在充分考虑激波效应的情况下,分析了高空模拟试验舱中发动机燃气可能出现的两种流动过程,并计算了燃气流动过程的压力变化曲线,其结果为高空模拟试验舱的结构设计和真空机组的选配提供了参考。     

斜切反喷管性能计算

本文提出了斜切反喷管流场计算方法,内部点用MacCormack二步显格式数值解控制方程,入口边界和固壁边界的参数用物理边界条件和可应用的沿双特征线的相容性方程计算.固壁边界计算中采用了激波装配技术和开关格式,有效地捕获了流场内的激波系列,计算中得到的激波情况和物理分析一致.本文在流场计算的基础上,进行了反喷管的性能计算.本文提出的方法可应用于反喷管的性能预估.     

某型航空发动机用离心喷嘴燃油空间分布特性试验

建立了平面激光诱导荧光(PLIF)用于燃油分布特性测量的试验装置及其校正方法,并验证了校正方法的有效性.PLIF和平面激光散射(PLS)方法的燃油分布特性测量结果表明PLS方法对直径小于50μm的液滴存在非线性效应使小液滴集中区燃油分布测量结果偏大,PLIF方法适合燃油分布特性测量.利用PLIF方法从喷雾锥角、燃油周向分布不均匀度和分布指数等方面综合评价燃油空间分布特性.偏心和尺寸大小不等的凹槽等分布不均匀的表现形式表明:造成燃油分布不均匀的因素包括喷嘴内部通道表面粗糙度、喷射孔圆度和零件之间的同轴度.利用PLIF方法研究雾锥在供油压差分别为0.14,0.25,2.5MPa时雾锥沿喷射方向的发展过程,液滴随雾锥发展逐渐从环形集中区分散到整个雾锥横截面,并且液滴分散过程随供油压差增加而加快.      

层状介质平面交界裂纹的弹性波（P波和SV波）散射研究

 本文采用Fourier积分变换,将层状介质的弹性波传递矩阵法推广到含有平面交界裂纹层状介质的弹性渡散射问题,进而把散射问题转化为求解矩阵形式的对偶积分方程。作为特例,文中给出单一弹性层与半空间平面交界裂纹的弹性波散射远场模式,并计算几组不同材料组合情形下的远场模式幅频特性曲线,其数值结果表明幅频特性曲线有共振峰存在。     

一种离心压气机子午流道的优化成形方法

利用S₂反问题的数值计算,发展了一种通过合理调整压力分布来确定优化子午流道形式的实用方法。优化的两个原则是尽量减少附面层分离和减小作为引起二次流主要原因之一的子午流道内的法向压差。设计了两种自动生成优化流道的方案,并将相应的程序用于实际离心压气机的优化设计,比较了子午流遭轮毂轮整处的压力分布,表明所用的方法达到了予期的效果。      

双旋转盘腔压力特性实验

将压力传感器安装在测点测量几何结构复杂的双旋转盘腔转盘表面的压力分布及盘腔进出口的总压损失.实验结果表明:当湍流参数由0.1变化到0.4时,转盘表面的压力先随旋转雷诺数的增大而减小,之后随旋转雷诺数的增大而增大,并且转变的湍流参数对于两个转盘是不同的.在相同湍流参数下,旋转雷诺数决定了转盘表面的压力分布曲线形状;两个旋转腔的总压损失随湍流参数的增大而增大,随旋转雷诺数的变化规律不同,右旋转腔两个入口到出口的总压损失随旋转雷诺数的变化规律也有差异.