考虑油气传热传质耦合的轴承腔内壁油膜运动研究

为研究航空发动机轴承腔油气两相流动及内壁面油膜运动特性,建立了腔内油滴-空气双向耦合数学模型和内壁面油膜传热传质运动模型,并对油气流场及不同供油流量下油膜的流动进行计算,获得腔内两相流场特性及内壁面油膜厚度、周向速度分布。结果表明:在所计算工况中,双向耦合计算流场与单向计算结果至少相差10%,因而不可忽略油滴对空气流动的影响;腔内滑油蒸汽质量分数低于0.05%,则空气-油滴之间粘性力产生的拖曳作用是影响流场的主要因素;随着供油流量的增加,油膜厚度及周向速度都呈增加趋势,但与滑油流量的增幅并不成正比。与国外试验数据的对比证明所建数学模型合理且有效。     

轴承腔油滴含率及油滴相与空气能量传递分析

为了改善迄今轴承腔油滴运动分析未包含油滴与空气热量传递以及油滴相/空气介质均相处理中油滴含率确定方式不够准确的不足,借助单个油滴运动分析和油滴尺寸分布提出了轴承腔油滴含率及油滴相与空气能量传递分析方法。首先在考虑单个油滴与空气对流换热条件下,将油滴能量方程嵌入运动方程,并同步离散求解油滴运动方程和能量方程,实现了单个油滴运动速度和温度的联立求解,通过与试验结果对比证明考虑温度效应有助于提升油滴速度计算的准确性;然后确定了轴承腔油滴尺寸分布,并离散油滴尺寸分布范围以及轴承腔流场空间,进行油滴运动分析确定了轴承腔不同径向位置处油滴的体积和质量含率及油滴相与空气的动能和热能传递量。构建了圆盘腔油滴含率试验台,开展了油滴体积含率的试验测量,理论计算值与试验值较为吻合,验证了轴承腔油滴含率分析方法的有效性。     

用湍流传热模型模拟室内空气流动和换热

利用低雷诺数NH模型、NK传热模型及模型系数改进后的NK传热模型,分别对室内空气流动和换热的速度场、温度场、湍动能场进行了模拟,并将计算结果与实验结果进行了对比分析.研究表明,低雷诺数NH模型、NK传热模型及模型系数改进后的NK传热模型均能对室内空气流动及换热的速度场、温度场、湍动能场进行较好的数值模拟,其中模型系数改进后的NK传热模型模拟的准确性最高.     

密封气流流量对轴承腔外壁滑油运动的影响

为了研究密封气流质量流量对轴承腔外壁面上滑油分布及温度分布的影响，基于拉格朗日离散相模型（DPM）和液膜模 型，利用STAR CCM+商业软件对轴承腔内油滴运动、油滴向油膜的转化以及油膜在轴承腔内的运动开展非稳态数值模拟计算，并 与德国Karlsruhe 大学轴承腔油膜厚度试验结果进行对比。结果表明：计算值与试验值在高转速下一致性较好，平均相对误差 13.6%；低转速下由于空气分布均匀性较差，个别工况点计算值与试验值存在一定误差，但最小相对误差在4%，总体上具有较好一 致性；随着轴承腔密封气流的质量流量的增加，轴承腔内空气的平均流动速度提高，对轴承腔外壁面上油膜的剪切作用和扰动能 力增强，导致轴承腔的外壁面油膜厚度和稳定性降低；轴承腔外壁面上的温度分布与油膜的厚度分布一致，最小温度分布在壁面 上被油滴冲击位置；随着轴承腔密封气流的质量流量的增加，轴承腔外壁面上低温分布范围增大，但温度分布均匀性变差。     

轴承腔内壁油膜运动特性的数值研究

为了获得航空发动机轴承腔内壁油膜运动特性,对油滴在轴承腔内运动、油滴/壁面相互作用及油膜的流动进行研究,建立了一套完整的数学计算模型,利用Star-CD商业软件对油膜的运动进行非稳态数值计算,在验证计算模型合理性的基础上,对不同主轴转速下轴承腔两相流动的运动特性进行研究。研究表明:油膜在轴承腔壁面经历从形成到基本稳定的过程。在油膜流动稳定的状态下,随转速的增加,壁面油膜厚度呈减小趋势,而壁面油膜速度却呈增加趋势,油滴撞击油膜动量随转速的增强是主要因素。此外,空气对油膜的剪切作用对油膜流动的加速产生积极作用,且转速越高越显著。     

用非线性k-ε-k_p两相湍流模型模拟旋流两相流动

建立了两相湍流的代数应力模型 ,并由此出发 ,导出非线性k ε kp 两相湍流模型 ,目的是合理地模拟各向异性较强的旋流两相流动 ,保持二阶矩模型的优点 ,同时比二阶矩模型简单 .文中得到了气相、颗粒相的雷诺应力和两相脉动速度关联的非线性应力应变关系式。这些代数式和两相各自的湍动能k ,kp,以及两相脉动关联湍动能kpg的方程联立 ,就构成非线性k ε kp 模型 .将该模型用于模拟旋流两相流动 ,给出两相时均速度场及雷诺应力各分量 ,并且将模拟结果和实验数据以及二阶矩模型的模拟结果对照 .研究结果表明 ,该模型预报旋流两相流动的能力和二阶矩模型的能力相差不多 ,但计算量比二阶矩模型的小     

基于DPM与VOF方法轴承腔内滑油瞬态特性对比

为了研究航空发动机轴承腔内油气两相流流动特性,分别采用DPM方法和VOF方法建立了完整的数学模型,并对轴承腔内的两相流动进行了非稳态的数值模拟,获得了不同转速情况下内壁面油膜厚度和滑油体积分数的动态变化过程。通过与实验数据的对比及两种方法计算结果的对比,验证了模型的合理性。进一步计算了增大滑油流量情况下腔内滑油分布。研究结果表明：油膜在轴承腔壁面经历从形成到基本稳定的过程,历时约0.8 s;油膜的生成位置及发展速度受转速影响较大,空气对油膜的剪切作用对油膜分布的均匀性有积极作用。     

风力机对大气边界层近地层影响的数值模拟

为研究风力机运行对大气边界层近地层的潜在影响,采用 Gambit 软件建立风力机及风场模型,应用 UDF加载边界层速度分布函数作为流场入口边界条件,基于尾流特性及湍流理论,应用 Fluent 软件模拟单台风力机运行对大气边界层近地层的影响,通过分析风力机下游不同位置处的速度及湍动能以及其随高度的变化情况来进行分析研究。模拟结果表明风力机的运行会造成近地层内原本均匀分布的大气流场发生明显变化。与初始速度分布相比,流体流经风力机后,轮毂处风速迅速降低,随后逐渐增加,但随着向下游的延伸,速度增加的梯度逐渐降低,且在距离风力机17倍风轮直径后仍未增至来流速度;在竖直方向上速度分布呈现出逐渐增加的趋势,但在风轮位置处明显下降,随着空气继续向后流动,影响面积在扩大,但是趋势逐渐变缓。同时湍动能也发生较大变化,在近风轮处,由于轮毂区域的风速与周边的风速存在较大差异,所以造成近风轮处的湍动能迅速增大,随着流体向下游的延伸,与周边流体逐渐混合扩散,湍动能逐渐降低;湍动能在竖直高度上的分布在近尾迹区呈现出由地面至高空先减小后增大,再减小再增大的趋势;而远尾迹区域则先减后增,不过在到达一定高度后几乎都不再变化。由于大气各种通量的变化等也与风速、湍动能相关,所以风力机会对对其周边环境造成影响而不仅仅局限于近地层的风速、湍动能。     

用非线性k-ε-kp两相湍流模型[1*9/9]模拟旋流两相流动

建立了两相湍流的代数应力模型,并由此出发, 导出非线性k-ε-kp两相湍流模型, 目的是合理地模拟各向异性较强的旋流两相流动, 保持二阶矩模型的优点, 同时比二阶矩模型简单. 文中得到了气相、颗粒相的雷诺应力和两相脉动速度关联的非线性应力应变关系式.这些代数式和两相各自的湍动能k, kp, 以及两相脉动关联湍动能kpg的方程联立, 就构成非线性k-ε-kp模型. 将该模型用于模拟旋流两相流动, 给出两相时均速度场及雷诺应力各分量,并且将模拟结果和实验数据以及二阶矩模型的模拟结果对照. 研究结果表明,该模型预报旋流两相流动的能力和二阶矩模型的能力相差不多,但计算量比二阶矩模型的小.     

轴承腔油滴沉积特性及油膜流动特征分析

轴承腔的润滑和换热设计依赖于对腔内油气两相流动和换热状态的准确理解。针对先前研究工作的不足,在包含油滴碰撞腔壁热量交换、沉积热量以及油膜温度即考虑温度效应的条件下,开展了油滴沉积特性及油膜流动特征分析。首先分析了单个油滴碰撞腔壁沉积特性,确定了油滴的沉积质量、动量和热量。其次在考虑油滴尺寸分布的条件下,通过离散油滴尺寸范围的方式确定了腔内所有油滴碰撞腔壁的沉积油膜质量、动量和热量。最后借助力学平衡和质量守恒条件,以上述参数为基础计算了腔壁油膜温度以及速度和厚度的分布情况。计算结果表明,随着转子转速的增加,油滴的质量、动量和热量沉积率有所降低,一次沉积油膜质量、沉积油膜动量、沉积油膜热量以及油膜速度均有所增加,而油膜厚度降低。通过与试验数据的对比表明,提出的轴承腔油滴沉积特性及油膜流动特征分析方法是较为可靠的,并且考虑温度效应使油膜厚度的计算更为准确。分析工作为轴承腔的润滑和换热设计提供了一定的参考依据。     

燃气轮机模型燃烧室的大涡模拟

燃烧室内的燃油雾化、蒸发以及和空气进行混合过程对燃烧过程有重要影响。提出1种基于大涡模拟的数学模型来模拟燃烧室内燃料喷射、蒸发和混合过程。被空间滤波掉的亚网格尺度涡对大尺度涡的影响由求单方程SGS湍流模型进行模拟。采用拉格朗日法和蒙特卡洛技术对流场中的喷雾粒子进行采样跟踪,采样喷雾粒子在流场中作为点源项与气相进行质量、动量和能量的双向耦合。提出1个基于SGS湍流动能的双向耦合模型来模拟SGS脉动速度对喷雾粒子运动的影响以及喷雾相对SGS湍流动能的影响。通过对1个同轴模型燃烧室中的喷雾蒸发及混合过程的大涡模拟,将预测结果和试验值进行了比较,预测值和试验值吻合良好,验证了模型的可靠性。     

旋转部件复杂表面水滴撞击计算

为模拟旋转体结冰问题的过冷水滴运动及撞击过程,基于欧拉方法及单旋转坐标系模型,建立了三维旋转水滴运动模型,并提出了相应的数值求解方法。采用单旋转坐标系对空气及水滴两相流动过程进行处理,通过引入惯性力,将惯性系下的周期转动边界转换为定常流动边界;利用欧拉方法,使用单向耦合形式描述空气—水滴流场;在单旋转坐标系下,向控制方程内引入科里奥利加速度及牵连加速度,进行非惯性系下欧拉方程的修正,从而描述水滴运动过程;采用有限容积求解器对空气及水滴运动的控制方程组进行求解,通过引入源项定义单旋转坐标系下的惯性力,得到空气流场及水滴场的速度、体积分数分布,进而得到表面水滴撞击特性。采用上述方法对旋转帽罩与叶片模型进行算例分析,结果表明所建立的旋转水滴计算方法有效,对比静止状态表面的结果,旋转对帽罩的水滴撞击特性影响甚小,而对桨叶存在显著影响;由于帽罩具有中心对称的特性,因而旋转带来的切向速度变化对其水滴撞击特性影响不明显;桨叶表面水滴收集系数随旋转角速度增大而增大,同时收集系数在表面的分布会向迎风方向偏移,较大的角速度对应了更为显著的收集系数增幅与偏移现象。     

Experimental study of entrainment phenomenon in a trapped vortex combustor

Trapped vortex combustor (TVC) is an advanced low-pollution gas turbine combustor, with the adoption of staged combustion technique. To achieve low-pollutant emission and better combustion performance, the proportion of the air flow in each combustion zone should be precisely determined in the design of the combustor. Due to the presence of entrainment phenomenon, the total air flow in the cavity zone is difficult to estimate. To overcome the measurement difficulty, this study adopts the indirect measurement approach in the experimental research of entrainment phenomenon in the cavity. In accordance with the measurement principle, a TVC model fueled by methane is designed. Under two experimental conditions, i.e. with and without direct air intake in the cavity, the influence of the mainstream air flow velocity, the air intake velocity in the cavity, the height of inlet channel, the structure of holder and the structural proportion of the cavity on entrainment in the cavity is studied, respectively, through experiment at atmospheric temperature and pressure. The results suggest that the air flow velocity of mainstream, the air intake velocity of the cavity and the structure of the holder exert significant influence on the air entrainment, while the influence of structural proportion of the cavity is comparatively insignificant. The square root of momentum ratio of cavity air to mainstream air could be used to analyze the correlation of the entrainment data.     

运动油滴/固体壁面斜碰撞的状态辨识及特征分析

 航空发动机轴承腔油气两相流动与换热研究是轴承腔润滑与换热设计的重要基础工作,而运动油滴与轴承腔壁面的碰撞状态辨识及特征分析是轴承腔油气两相流动与换热研究的组成部分。基于VOF方法建立了运动油滴与固体壁面斜碰撞数值仿真模型,实现了运动油滴与固体壁面斜碰撞状态的数值模拟,分析了碰撞油滴直径、入射角和碰撞速度对沉积油膜铺展长度、油膜堆积厚度和溅射油滴数目等碰撞状态特征参数的影响规律,提出了运动油滴与固体壁面斜碰撞条件下的状态判断准则,并得到了文献的物理试验工作的支持。研究结果表明:随着油滴入射角减小,沉积油膜铺展长度和油膜堆积厚度增大,溅射油滴数目减少;随着碰撞速度和油滴直径的增大,沉积油膜铺展长度和溅射油滴数目均增大,但油膜堆积厚度对应前者呈减小趋势、对应后者仍呈增大趋势。     

工作参数对航空发动机轴承腔内二相流动的影响

作为航空发动机润滑系统油气二相流的重要区域,主轴承腔的工作参数对内部二相流动的影响对于发动机润滑系统设计具有重要意义。利用DPM壁面液膜模型,采用CFD方法对某型发动机轴承腔简化模型内油气二相流进行了数值计算,计算结果与现有试验数据符合良好;给出了轴承腔在不同主轴转速及不同滑油流量下油膜厚度、空气和油膜速度的分布以及出口速度变化规律。     

封闭转静盘腔中紊流的数值模拟

对一个旋转盘腔的流场进行了数值计算研究。该盘腔由一个旋转盘,一个静止盘及静止的外围屏组成。在盘腔的核心区采用标准k-ε模型,在近壁区分别采用了两种低雷诺数紊流模型,即(1)单方程模型和(2)Launder-Sharma低雷诺数k-ε模型,并且在第二个模型中考虑了固体旋转引起的耗散率降低的修正。      

构成轴流压气机出口不稳定的主要影响因素

为探讨构成转子出口不稳定性的主要影响因素,借助三维Ｎ－Ｓ方程数值求解轴流压气机孤立转子流场,计算了转子出口沿主流方向的不稳定参数并与实验结果加以对比,两者吻合较好。计算结果分析表明：转子下游的不稳定性主要由紊流脉动动能和尾迹亏损构成,且前者占主要成分。采用双方程紊流模型的三维Ｎ－Ｓ方程求解结果,可以有效地模拟转子出口不稳定参数沿径向的分布,对进一步深入探索转子出口流动的非定常效应具有重要的理论意义     

区域分裂法在湍流流场数值解中的研究

应用区域分裂算法(简称DDM)对湍流流场进行数值研究。对湍流流动控制方程建立一种通用的DDM-1计算格式S_{I,ω,给出重叠区域内变量处理方法。DDM-1的SI,ω计算格式的适用性由突扩圆管分离流流场数值计算所验证,数值计算结果与实验数据比较表明:采用SI,ω计算格式所预测的再附点位置及平均轴向速度、湍动能强度比在整个计算区域内采用单一模型的方法能够更好地与实验值吻合。}