扩散角对汽车风洞扩散段流动的影响

传统的汽车风洞设计一般参考现有风洞的设计经验和沿用工程估算方法。扩散段是汽车风洞的主要部件之一,它的设计经验和估算方法通常基于均匀来流。笔者采用v2f湍流模型研究两种非均匀来流工况下,不同扩散角对扩散段流动的影响。模型风洞扩散段出口速度分布的数值模拟结果与试验结果的一致性表明：使用v2f湍流模型能够真实反映扩散段流动特性。与均匀来流相比,非均匀来流大幅度增加扩散段总压损失因数,约增加420%。壁面摩擦损失和流动分离损失的相互作用使风洞扩散段在某一扩散角下存在最小总压损失因数,且扩散段进口速度不均匀度越大,最优扩散角越大。     

低速风洞内部流场数值模拟

以上海交通大学在建的多功能低速风洞为研究对象,针对其设计上的独特性,采用CFD方法首次实现对风洞内部流场的整体数值模拟,风扇段流场利用MRF模型处理,数值模拟中计及了阻尼网的整流效果。同经验设计法的气动设计结果进行对比发现,数值模拟得到的流量与设计流量差距很小,压力损失在一定程度上较为吻合。数值模拟揭示了风洞内部存在的流动分离现象,为提高风洞的气动性能提供了改进方向。对风洞同轴度下降引起的流场品质变化进行了分析,结果表明微小同轴度偏差对流场品质的影响不大。     

极限条件下的大角度扩散段优化设计数值模拟

为提升某低速风洞大角度扩散段静压恢复性能,降低总压损失至分流隔板的水平,采用计算流体动力学(CFD)方法对该扩散段不同设计方案进行了模拟.采用阻尼网能有效抑制分离,阻尼网布置位置和开孔率对大角度扩散段内的流动状态和总压损失有很大影响.使用直线壁面扩散时,由于扩散角过大,第1层阻尼网对抑制大角度扩散段入口分离效果很弱,总压损失无法达到预期设定指标.采用三次曲线壁面扩散时,总压损失明显降低,小于预期指标,但存在小范围的分离.分级扩散能有效降低总压损失,按照最大静压恢复设计的分级扩散段,避免了入口的气流分离,能大幅度降低总压损失.对分级扩散的进一步研究表明,按照最大静压恢复设计的第1级扩散段扩散角已达到上限,为抑制第3级扩散段的分离,缩短第2级扩散段,减小第3级扩散段扩散角的方法是合理的.通过对不同方案流态的比较得出了最佳的参数匹配,总压损失指标达到了设计要求.因此采用数值模拟能够获得最佳的大角度扩散段设计结果.      

跨超声速风洞大开角段设计技术研究

跨超声速风洞大开角段设计技术研究对于提高大开角段的安全性能与改进稳定段入口气流质量有着重大意义.由于影响大开角段性能的参数较多,完全通过试验方法进行设计的成本过高.本文通过数值模拟方法,结合适当的边界条件,对不同参数的大开角段进行了模拟,从数值模拟的结果可以看到,孔板开孔率和扩开角对大开角段性能有显著影响,通过比较得出了较为合理的参数匹配.这表明本文所用的方法用于大开角段气动设计是可行的,这为数值模拟方法应用于风洞部段气动设计创造了一定的条件.     

连续式跨声速风洞大开角段整流装置设计数值模拟

采用阻尼网对大开角段内的气流分离进行控制,并合理设置其参数,是工程上有效的方法之一。为验证阻尼网工程设计方法的可靠性,以0.6m连续式跨声速风洞为背景,通过数值模拟,对工程设计方法的初步结果进行了验证,并在此基础上结合大开角段布置环境对阻尼网参数进行了优化。由计算结果知,采用方案3-4(两层阻尼网损失系数分别为1.6和1.0)时,大开角段出口截面的速度均方根偏差值(RMS)为14.5%;考虑布置环境影响,调整两层阻尼网损失系数至0.8和1.0时,RMS值为16.2%。研究结果表明,阻尼网工程设计方法结合数值模拟可以有效地应用于大开角段整流装置的设计,达到了抑制大开角段内气流分离,降低压力损失,提高出口速度均匀性的设计目标。     

超音速喷管收缩扩张段匹配问题研究

超音速喷管由收缩和扩张两段组成,是高速风洞中获得超音速流动的重要部件。对于超音速喷管收缩段设计方法的研究较多,但尚未见到喷管收缩段的几种设计型面曲线如何与扩张段合理匹配问题的研究。针对以上的问题,利用CFD数值模拟方法对几种收缩曲线与扩张段匹配问题进行了计算。通过对计算结果进行对比分析,发现不同收缩曲线对超音速喷管内流有一定的影响,分析了流场特征,展示了马赫数在喷管内部的分布。     

三元收缩段优化设计研究

本文以某低速风洞收缩段为例，对收缩段设计方案的数值计算结果进行了综合分析。文中给出了数值计算结果、分析过程以及典型算例，并给出了该风洞收缩段最佳的气动设计方案，分析了几种常用收缩曲线的特点，同时给出了低速风洞收缩段气动设计的优化过程和可行的方法。结果表明，本文提出的优化设计方法是风洞三元收缩段气动设计较好的有效的气动设计手段。     

建筑物顶部形状对街道峡谷内污染物扩散影响的研究

应用数值模拟方法研究建筑物顶部形状对于街道峡谷内汽车排放污染物扩散的影响.研究发现,街道峡谷内漩涡的结构会随街道两侧建筑物顶部形状的不同发生变化,进而影响到街道峡谷内的污染物扩散.数值模拟结果与Rafailidis(1996)等在德国汉堡大学的气象学院进行的风洞实验结果进行了对比,与风洞实验结果相符合.街道两侧建筑物顶部形状不同,峡谷内的污染物扩散规律不同,选择合适的建筑物顶部形状会对街道峡谷内的污染物扩散产生有益的效应,这对于建立有效的机动车污染物控制策略具有重要指导意义.     

直流低速风洞收缩段的数值模拟研究

采用商用软件FLUENT对双三次曲线和维辛斯基曲线这两种收缩段曲线进行了数值模拟,旨在通过仿真结果为低速风洞收缩段的设计选择一种较为合适的曲线。从流函数、静压、速度图中可以看见,收缩段曲线采用双三次曲线时各截面参数均匀,可以达到很好的收敛效果,通过本次数值模拟计算可为低速直流风洞的设计及优化提供了重要的依据。     

带进气道的隔离段流场实验研究与数值模拟

通过风洞实验与数值模拟研究了超燃冲压发动机带进气道的隔离段流动。结合RNGk ε模型隐式求解了三维N S方程,并将计算结果与实验结果进行了比较。研究发现,RNGk ε模型能较好地模拟出超声速流动的激波与分离现象;进气道喉道流动的非均匀性使隔离段内激波/附面层干扰流场与均匀来流条件下的流场有显著差别。风洞实验表明,同一个模型,风洞马赫数为3 85试验的隔离段入口压力畸变大于马赫5 3;但前者隔离段出口截面压力分布比后者更均匀;隔离段入口畸变度大,隔离段实际能达到的压升就低。研究表明隔离段内的总压损失在整个进气道 隔离段组合体总压损失中占了相当大的比重。     

支撑板型线和径向倾斜设计对燃气轮机排气扩压器气动性能的影响

支撑板结构设计直接影响燃气轮机排气扩压器的流场结构和气动性能。本文在验证数值方法可靠的基础上,采用求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)和 湍流模型的方法对带进气导叶和支撑板的排气扩压器模型进行了研究,探究在四种进气预旋下,支撑板截面型线以及本文提出的支撑板径向倾斜设计方案对排气扩压器气动性能的影响。结果表明：进气预旋和支撑板设计方式相同时,截面型线更薄的支撑板更易导致流体在支撑板附近的分离及更大范围的尾迹流,从而增大总压损失;支撑板截面形状相同时,与径向垂直设计相比,支撑板采用径向倾斜设计使得排气扩压器通道面积变化更加平缓,从而使得在四种进气预旋下,排气扩压器的总压损失系数下降7%-20%。当支撑板截面型线宽长比为0.2时,相对于径向垂直设计,支撑板采用径向倾斜设计方式的排气扩压器静压恢复系数在进气预旋 和 时分别提升了4.7%和3.8%;但在支撑板截面型线宽长比为0.12和0.175时,支撑板采用径向倾斜设计方式会降低排气扩压器在进气预旋 和 时的静压恢复性能。     

扩压器对基本级性能的影响

使用数值方法和试验手段研究了带无叶扩压器和不同进口安装角的叶片扩压器对基本级的性能影响.针对带无叶扩压器的基本级，重点研究了近喘振点、设计点、近阻塞点3种工况的内部流动特性，结果表明近喘振点的叶轮叶片进口、叶轮叶片出口、回流叶片背面均存在低速涡流区，而设计点和近阻塞点的流动状态良好，对于近阻塞点，流动速度较大引起的摩擦阻力损失增大，导致了基本级多变效率下降很快；对带单圆弧叶片扩压器的基本级，细致地研究了匹配不同进口安装角的单圆弧叶片扩压器对喘振裕度、阻塞裕度和效率的影响，结果表明:在出口安装角不变的情况下，扩压器进口安装角比设计值降低3°，基本级的多变效率和多变能头系数达到最佳值.      

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。     

暂冲式风洞大开角扩散段性能的实验研究

布置有多层孔板（丝网）的大开角扩散段通过参数的优化设计,可有效缩短暂冲式风洞启动时间,均匀进入稳定段的气流速度,并降低阀后噪声和气流脉动。针对某大型暂冲式风洞大开角扩散段设计关键技术开展专题研究,设计并进行了不同扩散段扩开角角度和中心体分流锥型式的组合实验,从压力损失、出口截面速度分布和降噪特性三个方面进行了对比分析。试验结果表明：试验件45°扩开角＋65°平底锥的压力损失相对最小,而增加导流尾锥的中心分流锥由于底部难以形成稳态的分离涡使得其压力损失明显偏大,其它试验件组合的压力损失值则相接近;各试验件出口截面的速压分布均呈现以中轴线对称分布的双驼峰趋势,且孔板的开孔率偏高时出口剖面速度分布相对更平滑;试验马赫数下的大开角段对气流噪声的消声量约为12～14dB,对频率在2kHz以上的气流噪声具有相对较强的消声能力,同时气流经过设置有多层孔板的大开角扩散段后,气流波动幅值明显降低,气流脉动得到有效地抑制。     

内并联型TBCC进气道方案设计及验证

提出了一种带可变几何泄流腔的内并联型涡轮基组合循环(TBCC)进气道设计方案.介绍了进气道的总体设计思路,给出了进气道的设计马赫数、转级马赫数及飞行轨迹,对不同来流条件下进气道的工作方式以及全马赫数范围进气道型面调整的安排进行了论述,确定了进气道主要气动参数与型面参数的选取原则.通过数值模拟和高速风洞试验的手段,对进气道设计方案的可行性进行了验证.数值模拟结果表明:当Ma₀≤2.5时,进气道的总压恢复系数均在0.8以上,当2.5<Ma₀≤4.5时,进气道的总压恢复系数均在0.3以上,符合进气道总体方案的要求;冲压模态下,冲压通道的出口马赫数均小于0.4,出口静压均大于0.5个标准大气压,均能满足冲压燃烧室的燃烧需求.风洞试验结果表明:模态转换过程中,进气道涡轮通道具有良好的进/发匹配特性,且进气道涡轮/冲压通道具有良好的相容性能.研究结果可为我国开展组合动力研究提供方案参考和技术储备.      

TBCC进气道涡轮通道扩张段设计及涡轮模态特性

采用拓展中心线、不同的流通截面面积变化规律和倒圆半径变化规律对内并联型TBCC（turbine based combined cycle engine）进气道涡轮通道扩张段进行了设计.通过数值模拟的手段,对涡轮通道扩张段设计参数的影响规律和涡轮模态下涡轮通道扩张段的气动特性进行了研究,并利用高速风洞试验结果对数值模拟方法进行了验证.研究结果表明:中心线控制点纵坐标在1.50~2.25、涡轮通道扩张段出口等直段长度与出口直径比值在0.3~0.7的范围内取值时,涡轮通道扩张段可获得较高的出口总压恢复系数和较小的出口总压畸变指数;采用前急后缓的流通截面面积和倒圆半径变化规律能使涡轮通道扩张段获得较小的出口总压畸变指数;随着飞行马赫数的增加,进气道和涡轮通道扩张段的流量系数先不断减小,在飞行马赫数为0.9附近达到最小,之后又逐渐增加,涡轮通道扩张段出口总压恢复系数不断升高,在飞行马赫数为0.7附近达到最大,之后又逐渐降低;涡轮模态下,涡轮通道扩张段出口总压畸变指数均小于0.5,能很好地满足涡轮发动机对进口流场的要求.      

高负荷离心压气机管式扩压器特点及机理分析

以某高负荷离心压气机为研究对象,进行管式扩压器设计,借助于数值模拟的方法,对影响扩压器性能的重要参数--喉部面积进行参数化研究,并详细分析了管式扩压器特殊的进口结构对压气机内部流场的影响,初步探讨了管式扩压器喉部设计准则,摸清其提高效率扩大稳定工作范围的机理.     

气冷径向稳定器张角对混合扩压器性能影响

针对一种混合扩压器和气冷径向稳定器一体化新型结构,基于N-S方程建立了流场三维数值计算模型,研究了气冷径向稳定器张角变化对混合扩压器流场、流阻特性和混合特性的影响规律.结果表明:随着气冷径向稳定器张角的增大,混合扩压器的静压恢复系数逐渐减小,混合扩压器的流阻系数和压力损失系数均逐渐增大；在混合扩压器出口截面处,随着气冷径向稳定器张角的增大,总压恢复系数逐渐减小,总压恢复系数的最大值与最小值相差0.0032.热混合效率逐渐增大,热混合效率的整体变化范围为0.7268~0.8857.