静压气体轴承气膜力及其与转子耦合动力学特性研究

针对静压气体轴承,进行三维实体建模,采用供气孔区域非结构化网格和非供气孔区域结构化网格相结合的网格划分方法;采用基于有限体积法的计算流体动力学(CFD)商业软件对三维稳态可压缩气体Navier-Stokes(N-S)方程进行求解;根据计算结果,通过数据拟合获得了考虑转子偏心和转速的静压气体轴承气膜支承力模型.基于有限元法建立了气体轴承-转子系统动力学模型,采用Newmark逐步积分法求解了系统的临界转速和不平衡响应.在此基础上进行实验测试,验证了数值仿真结果.研究结果表明:低速、小偏心下,气膜主支承力随偏心呈近似线性变化;高速、大偏心下,气膜主支承力急剧增大,气体轴承的动压效应显著增强;气膜x,y向耦合支承力随转速和偏心呈非线性变化;转子系统一、二阶临界转速对当前结构刚度变化比较敏感,而三阶临界转速对此不敏感.因此,气体轴承气膜支承力的非线性特性及其与转子耦合动力学特性较为复杂,在对气体轴承进行结构设计时,应充分考虑其与转子的耦合,合理设计工作转速范围.      

非结构混合网格鲁棒自适应技术

数值格式、湍流模型和计算网格是影响CFD数值模拟精度的3个主要因素。结合流场信息的网格自适应技术具备动态优化计算网格的能力，被NASA列为未来CFD发展的一项关键技术。本文针对非结构混合网格，发展了网格单元分布优化、表面网格几何投影和空间网格协调匹配3项关键技术，建立了高鲁棒性几何保真的网格自适应系统。首先，为了提高自适应方法的鲁棒性和通用性，发展了基于标准面网格的多面体网格单元分布优化方法。其次，发展了仅依赖表面网格信息的局部曲面重构技术，采用参数点映射方法实现了新增表面网格点的几何投影，消除了自适应系统对几何CAD系统的依赖。再次，采用改进的距离函数方法实现了空间网格与投影后表面网格的快速匹配。最后，结合基于流场特征的自适应探测器，采用二阶格式的有限体积方法，开展了30P30N三段翼绕流和三角翼大迎角绕流的网格自适应数值模拟。结果表明，通过网格自适应对网格单元的分布进行优化后，流场求解的收敛性和模拟精度都得到了显著提高。     

基于两相流模型的挤压油膜阻尼器空化流场特性数值模拟

基于气液两相流理论中的Mixture模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型,采用动网格技术建立了两端开口中心槽供油型挤压油膜阻尼器三维非定常空化流场求解模型。数值模拟表明:随着阻尼器内环进动,考虑两相流动的油膜低压区在中心槽的两侧产生两道对称的条状负压带,条状带内具有较高的气相体积分数;阻尼器低压区的压力和气相体积分数对进油孔位置十分敏感,阻尼器油膜力和流场气穴比的变化频率与进油孔数密切相关。内环同心进动半径、进动频率对阻尼器空化流场影响的数值计算表明,进动半径和频率的增大均会使得流场内的空化现象加剧,同时气穴比的相位滞后现象愈加显著。      

非结构混合网格自适应并行技术

计算流体力学（CFD）模拟实际工程问题所采用的网格规模可达千万量级，并行技术是减少计算时间的有效方法。耦合流场信息的网格自适应技术能有效动态优化计算网格，被NASA视为一项亟待发展的CFD关键技术。混合网格自适应系统包含网格分布优化、表面网格投影和空间网格匹配等关键技术。针对以上3项关键技术分别建立了高效的并行算法。首先，提出了"先唯一后同一"的两步法策略实现了网格单元分布优化过程的并行相容性；其次，基于局部曲面拟合思想，实现了曲面重构和新增物理网格点投影的完全并行；再次，提出了空间网格匹配技术的半并行算法，快速解决了网格单元交错问题。为了提高后续流场计算的并行效率，发展了基于并行重分区-网格数据迁移方法的动态负载平衡技术，并采用圆柱激波流场自适应模拟对动态负载平衡技术进行初步验证。最后，采用三角翼自适应加密测试了自适应系统的并行效率。结果表明，建立的混合网格自适应系统并行效率较高，且相比流场求解耗费总时间的比例低于1%。     

挤压油膜阻尼器性能的油气两相流分析与试验

基于对油膜气穴试验结果的考察和理论分析,本文给出了预计挤压油膜阻尼器力学性能的油气两相流分析方法。润滑膜压力分布的计算结果与测试结果有良好的一致性。本文还提供了阻尼器的油气两相流性能数据,且与纯π膜的计算结果作了比较,这些数据可供工程上计算分析采用。所提出的分析方法,也可拓宽用于其它带类似油气两相流润滑膜轴承。      

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.      

基于伴随方程方法的非结构网格自适应技术及应用

对基于伴随方程的网格自适应技术的基本原理进行了研究,构造并实现了基于流场伴随方程的非结构网格自适应探测器,利用局部加密网格的办法,建立了基于Euler方程的无粘伴随自适应能力。对于粘性流动问题,提出首先应用无粘计算和伴随自适应技术从基准网格自动生成具有较好网格分辨率的非结构自适应网格,然后采用层推进法自动生成粘性计算网格的求解策略。采用RAE2822二维翼型和ONERA-M6三维机翼对所建立的无粘伴随自适应方法进行了验证,并应用所提出的方法和策略,对第二届国际涡流试验项目(VFE-2)中的65°尖前缘三角翼大攻角涡流场进行了数值模拟。对比计算结果表明,所建立的非结构网格伴随自适应方法是可行的和有效的。     

A mesh optimization method using machine learning technique and variational mesh adaptation

Computational mesh is an important ingredient that affects the accuracy and efficiency of CFD numerical simulation. In light of the introduced large amount of computational costs for many adaptive mesh methods, moving mesh methods keep the number of nodes and topology of a mesh unchanged and do not increase CFD computational expense. As the state-of-the-art moving mesh method, the variational mesh adaptation approach has been introduced to CFD calculation. However, quickly estimating the flow fi...     

源项不准确加载对源项法模型仿真精度的影响

针对平板多孔气膜冷却结构开展了真实模型和源项法模型数值仿真,在同实验数据对比取得较高精度的基础上探究了源项不准确加载对源项法模型仿真精度的影响,分析了加载方式、流量系数、网格参数等影响因素。结果表明:源项法模型可以代替建立带气膜孔真实模型对气膜冷却结构进行数值计算。网格准确定位的源项加载方式在粗细网格条件下均能取得较高的精度,点源项加载方式对网格较为敏感。因流量系数公式不准确导致的流量计算误差会影响源项法模型的计算精度,低吹风比下影响更为显著。气膜孔进出口处网格面密度应不少于4个/mm2,第一层网格高度的选取应符合所选用的湍流模型,以保证较高的计算精度。     

挤压油膜阻尼器-滑动轴承-转子系统非线性动力特性的数值分析及实验研究

 采用非线性模型,研究挤压油膜阻尼器 -滑动轴承 -转子系统的运动稳定性和分岔特性。利用有限元离散变分不等原理和基于线性规划余原理的迭代方法,求解自由边值条件下的油膜力。采用模态综合技术中的缩减系统线性自由度的方法,并提出基于 Newmark法的预估 -校正 -局部迭代的方法,求解系统响应。采用 Poincaré映射法,将周期解的确定转化为 Poincaré截面上不动点的确定,然后分析不动点的稳定性。最后通过实验转子,从实验与数值计算进行对比分析,验证了挤压油膜阻尼器的减振特性及其提高系统运动稳定性的特性,同时也说明了上述方法可以有效地分析这类系统的局部非线性动力特性。     

小能量点火脉冲爆震发动机工作过程数值模拟

为完善脉冲爆震发动机数值模拟模型,采用有限速率化学反应模型,通过二阶迎风格式差分逼近二维欧拉方程,模拟以煤油和氧气为可爆混合物的小能量点火触发爆震的脉冲爆震发动机工作过程。采用CFD软件中spark ignition模型模拟实验中电火花塞点火,实现了50mJ小能量点火触发爆震。数值模拟结果和试验结果吻合,说明所采用的计...     

渐开线直齿轮的动力学与弹流润滑耦合

综合考虑时变啮合刚度和油膜刚度、表面粗糙度以及摩擦转矩等对动力学行为的影响,基于载荷分担理论和动力学理论建立了六自由度渐开线直齿轮摩擦动力学模型.采用解耦方法求解该摩擦动力学模型,即将摩擦动力学模型求解获得的动态轮齿作用力和表面速度用于润滑分析中,反过来润滑分析获得的摩擦因数和油膜刚度将用于动力学分析计算中.通过实例研究了摩擦学特性和动力学行为以及两者之间的耦合关系.研究表明:考虑耦合效应后齿轮综合刚度略有下降.滑动摩擦力对垂直于啮合线方向的动态响应的影响比较显著,摩擦力会加剧该方向的振动.动态载荷对油膜厚度、油膜承载比例、油膜温升和摩擦因数影响均较大,且动力学行为对油膜温升分布的影响取决于相对滑动速度的大小.      

可控肥皂膜气柱界面与激波相互作用的实验研究

基于肥皂膜技术提出了一种生成气柱界面的简单方法。形成的界面不需要支撑网格,因此初始条件可以很好地控制。在水平激波管中结合高速纹影开展了平面激波与二维或三维气柱界面作用的实验。纹影照片显示实验结果杂波更少,演变中的界面也比文献的结果更对称。此外,还特别研究了由极小曲面特征导致的三维效应,发现三维效应使界面的演变和发展变慢了。本研究将有助于更多了解三维性对Richtmyer-Meshkov不稳定性发展的影响。     

降落伞的流场特性研究

降落伞的流场特性直接关系到降落伞的气动力性能,一直以来是降落伞研究中的核心问题。本文采用计算流体动力学(CFD)方法对降落伞的流场进行数值模拟。通过采用不同的网格生成方法对降落伞的绕流流场进行研究,表明生成网格质量对流场计算精度有很大的影响。在一系列数值实验的基础上,证明采用多块贴体坐标的网格处理方法能够获得良好的网格质量,同时还具有易于寻找伞衣内外面压力,计算稳定性、可靠性高等优点。在此基础上,采用了七孔探针对降落伞绕流流场进行了测量,实验结果和计算结果吻合较好。     

基于Newton-Raphson算法的径向轴承瞬态热流体动力润滑的研究

建立了径向轴承在载荷和速度突然变化时的三维数学模型，模型中考虑了轴瓦的热变形，在油膜和轴瓦交界面采用热流连续的理想边界条件，数值模拟轴承的瞬态温度场，并对轴承的瞬态性能进行分析。在每一瞬时，用Newton—Raphson算法同时求解Reynolds方程、膜厚方程和轴颈运动方程获得轴承油膜的压力分布和轴颈中心的运动速度，然后数值积分压力分布得到轴承的油膜力，差分运动速度得到轴颈中心位置和运动加速度。用一有效的有限差分法同时求解油膜和轴瓦的温度控制方程。最后将Reynolds方程和能量方程通过节点压力和温度相耦合获得轴承的瞬态三维温度场。结果表明本所介绍的方法收敛快，大大节约计算时间。     

液体中心式同轴离心喷嘴液膜破碎特性仿真研究（液体火箭推进）

为了实现对不同工况下液体中心式同轴离心喷嘴液膜破碎特性的数值模拟研究,采用网格自适应加密技术、耦合的Level-set和Volume of Fluid（CLSVOF）方法对气液界面进行捕捉,利用改进延迟分离涡模拟（IDDES）方法模拟湍流。分析了液膜的破碎模式、喷雾锥角、破碎长度以及流场特性。通过观察分析得到：随着气液相互作用的增强,液膜破碎模式依次经历主导表面波发展导致的液膜破碎、Rayleigh-Taylor（R-T）和Kelvin-Helmholtz（K-H）不稳定性引起的液膜破碎,以及气动破碎模式。随着气液动量通量比（Momentum Flux Ratio,MFR）的增大,喷雾锥角和破碎长度逐渐减小且呈渐进趋势,发现无量纲喷雾锥角和破碎长度均与MFR_^-A成正比例关系。相同液膜破碎模式而不同工况时,主要流场特征一致。     

涡轮冷却叶片寿命可靠性分析参数化仿真平台

目前,涡轮冷却叶片等复杂结构的多模式寿命可靠性分析中存在各功能模块的集成与管理不成体系、参数化联合调用技术不完善的工程应用问题。针对这些问题,完善了随机不确定性下涡轮冷却叶片多模式寿命可靠性分析的工程化方法,搭建了多模式寿命可靠性分析的参数化、多软件联合仿真平台,为某型号叶片寿命可靠性分析提供合理的工程化方法及高效便捷的自动化实现工具。主要工作包括：一建立了不确定性环境下含孔、肋及空腔复杂结构网格划分和结构有限元仿真的参数化方法,实现了随机变量不同取值下仿真的自动执行,解决了可靠性理论方法应用至复杂工程结构的瓶颈问题;二在经回归处理的概率寿命曲线中考虑温度插值及多失效模式串联系统,拓展了概率寿命曲线的应用范围,使得所建涡轮叶片寿命可靠性模型更符合实际;三提出了可靠性分析数字模拟过程中嵌入包括有限元结构分析和疲劳寿命极限状态面两方面的双层自适应代理模型方法,该自适应策略可在保证寿命可靠性分析精度的基础上提高效率。通过所建平台在某型号叶片上的算例分析及与蒙特卡洛法参考解的对比,验证了所提多模式系统寿命可靠性分析工程化方法的高效和准确性及仿真平台的实用性。     

三角翼大迎角绕流的数值模拟

采用FINETM/HEXA非结构网格流场计算软件包对三角翼飞行器的低速大迎角绕流进行了数值模拟.结果表明,计算值与实验数据符合较好,采用Agglomeration 方法能大幅度提高收敛速度,而网格自适应方法用总体不大的网格单元数可较精细地模拟流场.本文还分析了前缘分离涡破裂前后的流动现象和旋涡横截面流线图谱的变化规律.     

Aeroacoustic and aerodynamic optimization of propeller blades

It is of great significance to develop a high-efficiency and low-noise propeller optimization method for new-generation propeller aircraft design. Coupled with free form deformation method, dynamic mesh interpolation technology, optimization algorithm, surrogate model, aerodynamic calculation and aeroacoustic prediction model module, the integrated aerodynamic and aeroacoustic design method of propeller is built. The optimization design for the six-blade propeller is carried out. The non-reduction in efficiency, thrust coefficient and the minimum of aerodynamic noise is treated as the optimization design objective. The spatial vorticity distribution of the propeller before and after the design is also analyzed by using unsteady computational fluid dynamics method. The results show that the optimized propeller can effectively reduce the aerodynamic noise level. The maximum total sound pressure level can be reduced by 5 dB without reducing its aerodynamic performance. The developed method has good application potential in low-noise optimization design of propeller and other rotating machinery.