一种适用于进气道/风扇一体化计算的体积力模型

全流道的进气道/风扇一体化计算虽然能捕捉到全面、完整的流场细节,但仍然需要消耗大量的计算资源。为了节约计算成本,利用有限的设备达到快速高精度计算的目的,采用自行发展的块体积力模型替代真实叶片进行一体化计算。该模型将叶片流域沿周向等距分成若干块,每个块的体积力源项关联于叶片前缘参数。研究结果表明:该体积力模型能够准确地模拟出流场特征与细节。在均匀来流下,各参数的相对误差在0.5%以内。同时,在大S弯进气道高畸变来流条件下,与冻结转子方法计算结果相比,总压比、总温比和等熵效率的相对误差分别为4.49%,0.26%和2.38%。     

一种紧凑无人机进气道设计和流动控制研究

在满足对发动机风扇全遮挡的前提下,提出一种双"S"弯紧凑进气道的设计方案,通过CFD计算和风洞试验验证,进气道出口流场基本满足发动机要求。另外,对采用涡流发生器方法控制流动分离的备选方案进行了试验研究,证实该方法能够降低发动机进口流场的稳态周向畸变。     

插板进气畸变与压气机的耦合数值模拟

为了探索进气道/发动机一体化设计方法,发展了一种压气机与进气畸变耦合计算的方法.首先从压气机基准流场雷诺平均Navier-Stokes(RANS)仿真结果中提取压气机叶片对气流的作用力,建立压气机全通道体积力模型.再将压气机体积力模型加入到流体计算软件CFX中,实现插板进气畸变与压气机的耦合计算.与实验结果对比表明:压气机体积力模型能有效模拟压气机与上游畸变流场的耦合作用,相比传统的全通道RANS计算能减少近2个数量级的计算网格数.      

S弯进气道中流场畸变的监测研究

本文研究了 S弯进气道在大攻角条件下的畸变流场特性。结果表明 ,S弯进气道出口的总压低能量区位置和攻角之间存在极为密切的对应关系。本文提出可以用管道出口的低能量气流位置角度作为 S弯进气道旋流的一个监测参数     

某发动机风扇进气畸变数值模拟

采用周向平均体积力的方法将叶片对气流的作用简化为体积力源项研究进气畸变对某航空发动机风扇的影响.分别对该风扇在均匀进气条件下和进口存在稳态总压畸变条件下的流场进行了模拟计算,得到了和雷诺平均Navier-Stockes(RANS)计算几乎完全一致的特性线以及流场主要结构特征,在进行进气畸变条件下流场模拟计算时成功地捕捉到了进口畸变扰动在流场中的传播情况,并能够正确反映进气畸变对压气机的影响.结果表明:压气机进气畸变流场有着大尺度、强耦合、信息传播三维性明显等特征,采用周向平均体积力研究方法可以利用非常少的计算资源加深对进气畸变流动的认识.      

新型旋流畸变网的设计与仿真研究

为进一步研究旋流畸变对压气机性能和稳定性的影响,提出了一种叶片式旋流畸变网的设计方法,根据目标旋流场设置旋流畸变网的转向叶片和支撑结构,产生了4种特定流场结构和强度的旋流畸变。利用CFD技术对畸变网产生的旋流场与目标旋流场进行了详细对比研究。结果表明,旋流畸变网能够在指定的位置产生期望强度的整体涡和对涡旋流,并且能够准确复现出由S弯进气道和翼身融合体飞机形成的复杂结构形式的旋流畸变场;在气动交界面的3个测环上,畸变网产生的旋流场与4类目标旋流场的旋流角平均偏差分别为0.19°,0.64°,1.56°,2.48°,表明旋流畸变网对目标旋流场的复现有效性较强,满足了畸变网的设计需求。     

S弯进气道旋流畸变数值模拟及特性分析

利用FLUENT软件对S弯进气道旋流畸变进行数值模拟,通过分别对不同攻角、侧滑角飞行状态下的进气道沿程及出口流场进行分析,展现了旋流畸变的产生机理和发展过程。引入旋流评价指标,对旋流畸变进行评定,并与总压畸变评价体系进行对比和分析。研究表明:该S弯进气道出口固有的对涡旋流结构不随攻角变化,但旋流强度随攻角的增大略有减弱;在侧滑状态下,该S弯进气道出口对涡旋流消失,旋流以整体涡出现且强度较大;传统的总压畸变指数无法描述旋流,引入的旋流评价指标能较为准确、直观地评定旋流畸变强度和流场结构。     

基于五孔探针的大S弯进气道旋流畸变评估

背负式S弯进气道拥有较好的前向雷达隐身性能,同时有利于起落架布置、武器内埋,但其出口流场的非均匀性会严重影响发动机的稳定性。除了总压畸变、总温畸变的影响之外,旋流畸变也是流场非均匀性的一种重要体现。为研究背负式大S弯进气道的旋流畸变特性,采用美国汽车工程师协会(SAE)的旋流评估方法,利用基于五孔探针的旋转式测量段对进气道出口的强旋流场进行测量分析,入口马赫数的范围为0.2~0.6。所有马赫数下旋流方向(Swirl Directivity,SD)和旋流对数(Swirl Pairs,SP)变化不大,均显示出口旋流为对旋模式,与理论分析和数值计算结果吻合。同时,测量的对旋涡呈现出弱非对称性,最大旋流角超过40°,旋流强度(Swirl Intensity,SI)从内环的6°增加到外环的13°左右,且在马赫数小于0.5的范围内没有明显变化。本文研究表明,虽然SAE的旋流畸变计算方法中部分指标可以有效识别出大S弯进气道的旋流模式,但是旋流强度指标却明显不能表现出对旋涡的强旋状态,制约了其在该类进气道/发动机相容性评估中的应用。     

特定涡旋流畸变对跨声速压气机性能的影响

为研究S弯进气道出口和翼身融合体(HWB)飞机发动机进口两种特定涡旋流对压气机气动性能和稳定性的影响,将设计的新型叶片式旋流畸变发生器与跨声速压气机Stage 67进行联合数值仿真,获得进口旋流条件下的压气机特性线和流场分布,并与转子进口为均匀来流时进行对比分析。结果表明:在100%换算转速,S弯进气道产生的旋流使得压气机压比和效率在近峰值效率点分别下降0.06%、0.85%,稳定工作流量范围减小5.97%,压气机稳定裕度降低1.13%,压比和效率特性线均向左下方移动。HWB飞机产生的旋流使得压气机在近峰值效率点的压比增大6.61%,效率下降6.25%,稳定工作流量范围减小26.88%,压气机稳定裕度降低2.84%,压比特性线向右上方移动,效率特性线向右下方移动。     

弯叶片对畸变条件下风扇性能影响研究

以跨声速风扇为研究对象,采用全周三维非定常数值模拟方法研究静叶根部20°正弯对总压畸变条件下风扇性能和流场结构的影响.通过对设计转速下风扇全工况进行求解,对比分析了静叶采用直叶片和弯叶片时设计点和近失速点的风扇性能和流场结构.通过与均匀进口条件的风扇性能对比,探讨弯叶片对风扇效率、稳定边界以及抗畸变能力的影响,重点研究弯叶片对动静叶流动损失的影响以及对级性能的影响和改善机理.研究表明,均匀进口时,根部20°正弯静叶可以改善风扇在近失速点附近的性能,而在设计点附近,弯叶片的作用不明显;进口总压畸变条件下,静叶根弯20°能有效改善风扇性能,提高稳定性;静叶根弯对流场的影响取决于具体的流场结构,流动状态越恶劣,弯叶片的作用越明显.     

大涵道比涡扇发动机总压进气畸变数值模拟

基于数值缩放理念,以一台大涵道比涡扇发动机为研究载体,将三维彻体力模型与二维多子平行发动机模型进行有机结合,初步搭建了适用于分析复杂进气畸变对航空发动机整机流场特性影响的多维耦合计算模型。利用该多维耦合模型定量分析了稳态周向总压畸变及插板式总压畸变进气下发动机内部的流场特性。计算结果表明即便是进口单纯的方波周向总压畸变进气,在经过大涵道比风扇转子作用后在下游内外涵进口的畸变流场特征也将具有显著差异;在内涵进口形成的总压/总温复合畸变在四级增压级中均得到不同程度的衰减;插板式总压畸变进气下风扇转子进口近轮毂处受周向静压梯度驱动将产生一定程度旋流,并导致风扇转子出口轮毂处形成低压区。     

进口导流叶片对S弯进气道出口旋流的抑制研究

本文通过在Ｓ弯管道进口段安装水平导流叶片，引主流气流吹除进口分离，有效地 出口旋流和流场压力畸变，使总压恢复提高。其抑制效果与叶片的安装角、安装位置及叶片宽度等参数有关。文中还探讨了安装多块导流叶片时的旋流抑制效果。结果表明安装三块导流叶片片可进一步降低旋汉，减流场压力畸变，并可以彻底消除单涡旋流，且有总压恢复提高。     

大量附面层吸入S弯进气道内吹气控制

为了提高某大量附面层吸入的半埋入S弯进气道气动性能,采用数值模拟方法对其进行吹气控制研究并详细分析了吹气控制机理及吹气位置、吹气量、吹气角度变化对控制效果的影响.结果表明:吹气位置变化显著影响控制效果,最佳吹气位置位于气流分离点稍前的第1弯附近,该位置吹气比为1.75%、吹气角度为20°吹气时总压恢复系数相对原型提高约0.56%,出口周向总压畸变系数和旋流畸变系数分别下降约43.14%和83.60%;吹气角度并非越大越好,吹气时需尽量满足吹气角度较小,保证吹出的气流始终位于附面层内,避免与主流掺混而造成损失;总压恢复、出口周向总压畸变以及旋流畸变三者随吹气量变化的趋势不同,吹气量越大进气道总压恢复及总压畸变改善越明显,而旋流畸变随吹气量的增加先快速下降,随后变缓,最终甚至出现增加的趋势.      

Development of a coupled supersonic inlet-fan Navier–Stokes simulation method

A coupled supersonic inlet-fan Navier–Stokes simulation method was developed by using COMSOL-CFD code. The flow turning, pressure rise and loss effects across blade rows of the fan and the inlet-fan interactions were taken into account as source terms of the governing equations without a blade geometry by a body force model. In this model, viscous effects in blade passages can also be calculated directly, which include the exchange of momentum between fluids and detailed viscous flow close to walls. NASA Rotor 37 compressor test rig was used to validate the ability of the body force model to estimate the real performance of blade rows. Calculated pressure ratio characteristics and the distribution of the total pressure, total temperature, and swirl angle in the span direction agreed well with experimental and numerical data. It is shown that the body force model is a promising approach for predicting the flow field of the turbomachinery. Then, coupled axisymmetric mixed compression supersonic inlet-fan simulations were conducted at Mach number 2.8 operating conditions. The analysis includes coupled steady-state performance, and effects of the fan on the inlet. The results indicate that the coupled simulation method is capable of simulating behavior of the supersonic inlet-fan system.     

多级轴流压气机彻体力模型——三维应用

利用基于彻体力模型建立的时间推进三维计算模型,获得了某单级跨声速压气机在周向总压进气畸变下的总体特性及流场分布,并与相关试验数据进行对比,以验证该模型的准确性及可靠性。随后利用该模型详细分析了进口分别存在周向总压进气畸变及对涡旋流畸变下某四级低速轴流压气机内部流场特征。单级跨声速压气机总体特性的计算结果与相关试验数据的相对误差不超过2%,且内部流场参数的分布特征也与试验结果相吻合。四级低速轴流压气机的计算结果反映周向总压进气畸变导致压气机气动性能及稳定性恶化,对涡旋流进气畸变则影响有限。同时揭示了不同形式的进气畸变在多级轴流压气机内部的传递过程,充分说明该模型在进气畸变这类工程问题中的广泛应用前景。      

单级跨声速压气机进气畸变数值模拟

基于彻体力模型的基本思想,发展了一套能够反映进气畸变对风扇/压气机气动性能影响的三维数值计算程序CSAC.首先详细研究了彻体力模型的具体建模方法,然后发展了相应的三维数值计算程序.利用该程序针对某单级跨声速压气机在均匀进气下的流场进行了计算验证,计算结果与雷诺平均Navier-Stokes(RANS)计算吻合得很好,流场主要参数分布与相关实验数据也有很好的一致性.利用该程序分别计算分析了进口存在稳态周向总压畸变及周向总温畸变的全环三维畸变流场,结果表明:压气机进口畸变流场存在大尺度、强三维特征,将导致压气机总压比及稳定裕度下降.所有计算结果均显示该模型能够在降低对计算资源和工程经验依赖的同时,有效分析进气畸变对压气机特性的影响.      

大涵道比风扇/增压级进气畸变数值模拟研究

为探究进口总压畸变下大涵道比风扇/增压级内部流场的主要特征，基于三维彻体力模型的思想，开发了一套能够实现风扇/增压级内外涵联算功能的三维数值计算程序。利用该程序模拟了某大涵道比风扇/增压级在周向总压畸变进气下的三维流场。计算结果表明：大涵道比风扇单转子不同叶高处的畸变传递特征差异较大，转子出口总压畸变强度由叶根到叶尖逐渐降低，在叶尖处衰减为最小值1.5%；在转子出口相应诱导出的总温畸变强度由叶根到叶尖逐渐升高，在叶尖处达到最大值1.4%；进口周向总压畸变导致风扇转子总压比下降0.5%，而风扇转子出口形成的总压总温复合畸变导致增压级总压比下降2%；总压畸变在增压级中呈逐级衰减趋势，而高温畸变区的周向范围在逐级增加。     

风扇进气畸变三维非定常数值模拟技术研究

采用三维欧拉方程加体积力模型的方法, 发展了一套三维非定常进气畸变数值模拟程序, 以实现风扇/压气机在进气畸变条件下的全环面三维非定常数值模拟.利用该程序模拟计算了某航空发动机风扇进口稳态总压畸变条件下特性和流场结构, 并与试验结果进行了对比, 结果表明该程序用较小的计算机资源即可以实现对风扇全环面三维非定场畸变流场的模拟, 能够以较高的精度预估气流畸变对压气机/风扇特性的影响.      

S弯进气道旋流研究

根据理论分析,更主要的是根据实验结果,证明了某S弯常规超音速腹部进气道对侧滑敏感,并产生整涡旋流,它取决于进口没有导向叶片发动机对旋流扰动的敏感程度。发动机,性能下降,发动机喘振和强迫叶片振动之类严重的进气道与发动机匹配问题可能出现。 对用动态总压畸变作为主要相容性参数提出了疑问,认为旋流是进气道与失速裕度较大发动机匹配的决定性的相容性参数。 新发现一种不测量旋流也可以快速地判断进气道出口是否存在有整涡旋流的方法。