基于超大涡模拟的燃烧室气动性能仿真研究进展

航空发动机燃烧室涉及旋流、雾化蒸发、掺混、化学反应、湍流与火焰相互作用等多尺度强耦合物理化学过程,相关的高 精度建模和数值模拟面临极大的挑战。超大涡模拟是近些年发展的兼顾计算精度、计算效率和强鲁棒性的数值模拟新方法,具备 试验室尺度和复杂工程应用场景下湍流流动与燃烧仿真能力。针对航空发动机燃烧室相关流动与燃烧基本特征,阐述了超大涡 模拟的理论方法及特点,从旋流流动、湍流燃烧、液雾雾化、碳烟生成、燃烧不稳定等典型多物理过程,以及双旋流模型燃烧室和高 温升燃烧室气动性能集成仿真等方面介绍了超大涡模拟的研究进展,对涉及的物理机制进行了分析,为超大涡模拟在航空发动机 燃烧室中规模化工程应用提供了坚实支撑。超大涡模拟在较低的计算资源消耗下具备与传统大涡模拟相当的计算精度,是一种 经济可承受的燃烧室高精度气动性能仿真新方法。     

基于几何设计法的航空发动机有限频域稳态抗扰控制器设计

传统发动机稳态抗扰控制器在设计时,控制性能指标未能充分考虑被控对象及干扰信号的典型特征,如可作为反馈用的传感器和执行机构数量有限、干扰能量只集中在有限频域等因素,往往抗扰控制器设计的较为保守,并不总能获得满意的抗扰性能。本文提出一种可以在有限频域内采用几何图解法进行性能改进的稳态抗扰控制器设计方法“几何设计法”,该方法可以直观地在复平面上定义闭环系统各输出量在有限频域内的控制性能指标以及控制量在受限情况下的系统抗扰性能极限,从而使用图解法的形式来解决有限频域抗扰控制器的求取问题。仿真结果表明,发动机在巡航稳态工况下,面对能量主要集中在2～16 rad/s有限频域的大气湍流马赫数干扰时,基于几何设计法设计的抗扰控制器相比传统混合灵敏度H∞控制器,风扇折合转速抗扰百分比提升30%以上的同时,推力抗扰百分比提升了15%以上。     

旋翼螺旋桨/机翼巡航状态气动干扰规律研究

为优化倾转旋翼机气动布局,研究旋翼螺旋桨与机翼间复杂的气动干扰,在考虑有限翼展三维效应、翼尖小翼情况下,通过改变机翼外翼段的长度,研究了旋翼螺旋桨与机翼间的气动干扰规律.使用计算流体力学的三维非定常计算方法获得了巡航状态下旋翼螺旋桨与机翼的流场特征及气动特性参数,研究了螺旋桨滑流对机翼的上洗、下洗作用,以及机翼对螺旋桨...     

小尺寸无静叶对转风扇/压气机气动设计与变工况性能分析研究

无静叶对转风扇/压气机能有效减小发动机陀螺力矩,在轴向长度方面具有优势。然而,无静叶往往导致下游叶片攻角变化较大,变工况性能难以保证,且这一特点随叶尖切线速度的增大而恶化。本文利用小尺寸涡扇发动机风扇叶片根部周向速度较低的特点,尝试对其进行风扇与压气机无静叶对转方案设计。通过速度三角形分析了无静叶对转风扇/压气机的性能特点,开发了无静叶对转风扇/压气机一维设计程序进行参数方案的筛选优化,设计得到小尺寸无静叶对转风扇/压气机构型方案,设计点效率为85.1%,压比为3.16。结果表明,对转压气机的下排叶片相对进口气流角的变化范围较常规转叶+静叶相对进口气流角范围更小,而对转下排叶片的进口速度却将增大1.5～3倍,因此,需要合理选择对转风扇/压气机的轮毂比及转速比,才能保证对转风扇/压气机变转速工况下的设计点效率及失速裕度。减小对转风扇/压气机转速比有利于提高设计点效率和裕度,但本文受发动机总体指标限制,对转速比选择进行了折中。     

轴向超声速通流串列构型弦长比对气动性能影响的数值研究

为避免高马赫数、大攻角来流引发的叶片颤振,将串列叶片技术引入到超声速通流风扇叶栅中,对其进行串列改型及气动性能研究。利用准二维数值模拟,对串列叶片前、后排叶片的弦长比参数进行了详细的对比研究。结果表明：影响气动性能的关键因素是后排叶片进口压力侧激波的落点,在本文研究条件下,随着弦长比的减小总压损失呈减小的趋势,当弦长比由0.99减小到0.43时,设计攻角下,15°折转角叶型总压损失可减小27%,30°折转角叶型总压损失可减小38%。进一步的研究表明,通过减小弦长比可有效控制后排叶片前缘斜激波在相邻叶片吸力侧的落点以实现损失降低,并且这种降低效应在小弯角叶型上比大弯角叶型更容易实现。     

基于EFFD参数化的风扇/压气机叶片-端壁一体化伴随优化设计

为解决传统扰动参数化方法的设计能力不足等问题,以拓展自由变形技术为基础开发相应参数化方法以改进伴随优化 系统,并对典型跨声速风扇/压气机转子Rotor 67进行叶片-端壁一体化伴随优化。结果表明：经过伴随优化,Rotor 67转子在流量、 压比等工况约束变化较小的前提下效率提升了0.74%,且整体特性同样得到了大幅改进,而优化前后的几何与流动变化表明,端 区几何调整及叶片吸力面变化引起的吸力面加速减弱、激波强度降低、角区分离涡结构改进等,均是性能提升的内在原因。     

高温燃气流风洞试验舱压的影响因素研究

针对高温燃气流风洞实际试验过程中舱压变化的情况,选取了收集口位置、收集器豁口、主动控制和堵塞比四种不同的影响因素,使用试验和三维CFD (Computational Fluid Dynamics)方法对舱压试验匹配性的影响进行了相关的研究。数值研究与试验结果的趋势一致,舱压都随着影响因素数值的增加而升高。依据对舱压的影响程度的差异,这四种因素由大到小依次为堵塞比、主动控制、收集口位置和收集器豁口,计算范围内对舱压变化的最大影响程度分别为345%,271%,139%和18%。这些因素都破坏了溢流与主流引射之间的初始平衡,通过或相当于增加向试验舱内的溢流和减小主流的引射能力来提高舱压。     

舰载全电推进系统智能燃气轮机的关键技术及发展展望

随着对性能、运行安全和节能减排的日益重视,对燃气涡轮发动机的设计要求越来越高。在过去的10年中,智能燃气涡轮发动机由于可以兼顾性能及可靠性而越发受到重视。通过提炼智能燃气涡轮发动机的收益及挑战,系统回顾了智能燃气涡轮发动机涵盖的技术领域及需求。通过与航空发动机及地面燃气轮机的典型任务剖面差异进行对比,提出针对舰载燃气涡轮发动机智能化特色需求。在此基础上,梳理出进气畸变实时监测及畸变指数评估、压缩系统喘振预警及叶片振动监测、高压涡轮自适应热管理和高温旋转件叶尖间隙测试4项关键技术。重点讨论了每项关键技术带来的收益、国内外研究现状及实施这些技术所面临的挑战。然而,上述关键技术的落地仍需从单一技术的成熟及完善、多维度的技术收益论证2个层次持续开展相关工作。     

超/亚声速混合层压力不匹配时流动特征

为了获得压力不匹配对超/亚声速混合层空间分布与增长、压力分布和相似性等特征的影响规律,开展试验和数值模拟研究。通过粒子图像测速技术PIV测量混合层空间分布,标准k-ω模型模拟稳态流场特征。超声速气流马赫数为1.32,亚声速气流马赫数为0.11,五组不同压比分别为0.82,0.95,1.11,1.22和1.47。研究结果表明：压力不匹配对混合层增长的影响较弱;当压比>1时,混合层沿流向呈现波纹分布,静压呈现高、低压交替分布;压比增加,混合层内无量纲速度分布不变,无量纲总压减小,而湍流强度增加。基于无粘假设的预测模型捕捉了波节的基本结构与分布。     

受限空间欠采样条件下航空发动机关键截面流场重构方法研究进展

由于受整机环境下几何特征对探针位置的限制以及3维流动等因素影响，通过有限的测点数据准确获取整机关键测试 截面参数非常困难。为解决这一难题，综合关键截面流场重构项目的研究成果，针对航空发动机内强3维、强不均匀流场，介绍了 一种受限空间欠采样条件下航空发动机复杂流场重构技术。基于航空发动机内流场近周期分布的特征，利用离散的探针数据通 过“多波束近似”的方法来精确重构发动机内部的周向流场。相关技术在重构多级压气机出口截面总压分布、燃烧室出口热斑分 布、高压涡轮出口截面总温分布的测试中进行了初步试验验证，结果表明：重构结果与真实试验结果的误差分别小于0.1%、0.5%、 0.3%。与传统均布或等节距探针布局方案及均值数据处理方法相比，采用新的探针布局方案及流场重构方法可以实现航空发动 机压气机出口总压场、燃烧室及高压涡轮出口总温场的精确重构。