气-固耦合设计对斜流叶轮性能影响的数值分析

为了获得在设计工况下性能最佳的叶型,提出一种三维单向气-固耦合迭代设计方法。对三维气动设计得到的热态叶型（记为RT)进行单向气-固耦合计算,获得设计点流场特性和热态叶型变形量。采用基于面积平均的三维插值造型方法,分别获得进行机匣处理和不进行机匣处理的冷态叶轮(分别记为RC和RC-tip)。对冷热态叶轮流场的数值分析结果表明:与热态叶轮相比,冷态叶轮在设计转速下堵塞点流量提高1.93%;冷态叶轮的叶片最小负荷下降约30%;在低转速下,冷态叶轮的性能曲线优于热态叶轮;说明通过该设计流程得到的冷态叶轮在叶片负荷和流通能力等方面实现了优化。      

刷式篦齿组合密封性能试验研究

与传统篦齿密封相比,刷式密封作为一种新型密封装置,密封性能改善明显。但在高压差条件下,刷式密封的封严性能提升效果不明显。为满足航空发动机高压差高性能需求,本文设计一种刷式篦齿组合密封来提升刷式密封的综合封严性能。刷式密封和刷式篦齿组合密封泄漏特性的仿真分析及对比试验结果表明,同工况条件下,刷式篦齿组合密封相比刷式密封,其泄漏量可减小（34.7%～68.5%）,封严性能更优异。因而,刷式篦齿组合密封为航空发动机高压差密封提供新的低成本途径,且结构紧凑、泄漏量低。     

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。     

机翼三维结冰数值模拟

采用欧拉-拉格朗日法计算空气、水滴两相流动,根据质量守恒和能量守恒计算结冰量和溢流水量,溢流水的流动方向及不同方向的流量分配由当地空气的速度矢量、网格边界的法向量计算得到。采用非稳态方法、非结构网格计算了NACA0012平直翼、截面为GLC-305的后掠翼的结冰,并与文献中的实验结果进行了对比,结果显示最大结冰厚度与实验吻合较好,预测的冰形与实验冰形发展趋势一致。计算结果表明,提出的三维结冰计算方法是有效、可行的,为三维结冰计算提供了一条可选的途径。     

人工制备冰雹的力学性能试验研究

人工制备的冰雹可用于多种航空附件冰撞测试。本文以ASTM F320—2010标准为基础,设计制作了多种冰雹,对冰雹的力学性能及影响冰雹力学性能的因素开展了研究。采用低温万能试验机对冰雹进行准静态试验,使用高速摄影技术深入分析冰雹破碎过程及特征,对比分析不同棉纤维种类、棉纤维特性和棉纤维含量下冰雹的力学性能。研究结果表明,含棉冰雹失效过程可分为3个阶段：线性增长阶段、屈服阶段和破碎阶段,失效过程中最大抗压强度出现在线性增长阶段末端。棉纤维的强度和弹性越好,冰雹破碎所需的加载力越大;棉纤维上附着的冰量越少,冰雹破碎所需的加载力越小。棉纤维含量增加可以加强棉纤维的连接作用,使含棉冰雹强度增加;但棉纤维含量到达15%时,继续增加棉纤维含量,冰雹抗压强度不会发生太大变化。亲水棉制成的冰雹抗压强度明显高于疏水棉制成的冰雹。研究结果可为中国民用大飞机适航符合性验证提供参考。     

流体网络节点残量修正算法的改进

为了提高流体网络求解的收敛性与稳定性,对网络节点残量修正算法进行改进。基于理论分析,提出使残量修正算法大范围收敛的初值赋值规律,并通过简单模型的数值分析加以验证;在节点残量修正显式迭代的基础上,提出隐式梯形迭代格式,扩大最大迭代步长。基于改进方法,以某典型航空发动机空气系统为例进行计算,获得空气系统各节点的压力、温度以及各支路的质量流量。该计算过程显示,相对于残量修正显式迭代,改进计算振荡大幅度减弱,收敛速度提高了80%以上。结果表明:改进算法有效地提高了流体网络求解的稳定性和收敛性。     

轴承腔油气两相介质流动与热分析

为获得轴承腔油气两相介质流动与热分析计算方法,探究轴承腔油气两相介质流动换热规律。以某发动机轴承腔结构为对象,运用CFD方法分析轴承腔中两相介质流动速度、温度分布、体积分数和传热系数分布。基于试验获取轴承腔内外不同位置局部温度,利用温度梯度法计算热流获得传热系数。结果表明:两相介质的流动速度随径向高度增大呈现先增大后减小趋势,在无量纲径向高度为0.6时流速最大。轴承腔中转子及壁面之间的区域两相介质的温度随径向坐标增大呈现先减小后增大趋势。轴承腔内滑油主要分布在回油池及轴承腔外壁面上,回油池旁边其剪力分量和重力方向一致区域的油膜较薄,局部传热系数较小,其方向相反区域的油膜较厚,局部传热系数较大。      

航空发动机内啮合摆线齿轮泵高空特性数值研究

高空性是评价航空发动机齿轮泵性能的关键参数之一,为了获得摆线泵的高度特性曲线,并分析其影响因素,采用三维非定常数值模拟的方法,应用动网格技术对单级内啮合摆线齿轮泵的高空特性进行定量分析。结果表明:随着飞行高度增加,摆线泵内的空化现象加剧,供油流量减少;当飞行高度在8km以上时,容积效率随高度上升而急剧下降,且在相同的出口条件下,低转速摆线泵的容积效率明显高于高转速工况;当飞行高度在8km时,增大摆线泵出口压力,出口流量脉动幅度由时均流量的16%增至20%,且出口流量的脉动频率随摆线泵的转速加快而变大。所以,摆线泵在高空工作时,降低转速即可以满足供油需求,同时减少系统负担。     

冷冻温度对适航测试冰雹力学性能影响

为研究航空飞行器透明外壳测试标准(ASTM-F320-2010)中含棉冰雹及航空发动机吸雹测试中纯冰冰雹的力学性能,设计并制作冰雹模具。以自然冰雹冷冻温度为准,采用不同冷冻温度制取冰雹并在万能试验机中对冰雹进行压缩,得到了冰雹的准静态抗压强度数据及冷冻温度与冰雹力学性能间关系。结果表明,冷冻温度在-10~-30 ℃变化时,纯冰冰雹平均抗压强度略有提高,约为2 MPa,而含棉冰雹平均最大抗压强度在该温度区间内并没有表现出明显地温度相关性;冷冻温度下降至-40 ℃,两种冰雹的平均抗压强度都有上升,冷冻温度对纯冰冰雹影响更加剧烈,纯冰冰雹上升更加显著;提出可将-40 ℃制作地测试冰雹加入我国未来商用航空发动机及民用大飞机适航测试试验考虑范围。     

多点喷射贫预混喷嘴流场及排放特性研究

基于燃料喷射孔与旋流器中空叶片相耦合的发展趋势和避免贫预混喷嘴发生回火和自燃,本文提出了一种新型的带收敛出口、壁面开冷却孔且中空叶片叶背开喷射孔的多点喷射贫预混喷嘴,采用试验研究了其流场和污染排放特性,并采用数值计算对流场和燃料/空气混合特性进行了补充研究。结果表明：主回流区脱离喷嘴出口一段距离,有利于产生脱体火焰而防止发生自燃和回火,且本文喷嘴出口温度监测结果也证实了在喷嘴内未发生自燃和回火;不同压力状态下喷嘴出口截面混合不均匀度SMV（Spatial Mixing Variance）均在4.7%左右,满足低污染燃烧室SMV低于5%的要求;并且污染物排放试验结果表明贫预混喷嘴能同时满足NOx和CO排放要求(@ 15% O2)的Φdome范围较宽,为0.65-0.82,能减少其应用在全环燃烧室的分级数,另外当Φdome低于0.70时,贫预混喷嘴的NOx排放低于10ppmv(@ 15% O2)。本文提出的新型贫预混喷嘴能满足燃气轮机低污染排放要求。