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。     

亚格子模型对泵喷推进器宽带非定常力预测的影响研究

为了研究亚格子模型对泵喷推进器非定常流动与宽带非定常力预报结果的影响,采用分块结构化网格建立了模型尺度下艇后泵喷推进器的计算模型,并进行了大涡模拟数值计算。从艇尾非定常流场特征量和推进器转子脉动载荷两个方面对比了三种不同亚格子模型计算结果的差异,并分析了泵喷内部流动与转子非定常力间的内在联系。研究结果表明：三种亚格子模型均能得到含有叶频宽带峰的轴向推力谱,且整体趋势相近。泵喷转子上游的湍流强度和尺度的分布对亚格子模型较敏感,其中Smargrinsky-Lilly模型得到的湍流强度较强,尺度较大,该模型下的湍流谱在非平衡区量级较大,但由低频向高频的衰减较快,并且预测到的分离区范围大,导叶尾缘脱落涡分散,导致转子上游来流空间分布不均程度较强。对于转子叶片上的载荷脉动,Smargrinsky-Lilly模型预测的推力谱中线谱成分明显,并且叶频处宽带谱峰“陡峭”,而WALE模型和KET模型的结果宽带特性较强,对比非定常推力测试结果可知,WALE模型和KET模型更适于该问题宽带非定常力预测。     

近临界区液氮低速喷射特性研究

针对低温推进剂在超临界环境中的喷射特性,以液氮为模拟介质,基于SRK状态方程和LES模拟方法开展数值计算研究,获得了4MPa压力下液氮跨临界射流的形态特征,射流密度分布规律与试验结果吻合良好。计算结果表明：在临界点附近,液氮射流表面会形成高比热容屏障,抑制射流内部流体温度升高,从而维持射流核心区稳定;核心区射流表面涡的形成和发展由斜压效应主导,随着射流向下游发展,斜压效应、体积膨胀和粘性效应三者对涡量输运的贡献趋于同一水平;液氮射流破碎后形成并维持大的“高密度块”形态,随着温度升高,密度块逐渐扩散消失。     

TA17钛合金板状连接件的疲劳裂纹扩展行为研究

TA17钛合金是航空航天等工程中重要的结构材料,其疲劳裂纹扩展性能直接影响整体结构的安全性和完整性。本文基于Cr2Ni2MoV钢材紧凑拉伸试样斜裂纹疲劳裂纹扩展的试验结果,验证了ABAQUS软件XFEM模块用于分析平面应力状态下疲劳裂纹扩展的有效性,然后采用XFEM模块分析了TA17钛合金及其连接件的疲劳裂纹扩展性能。结果表明降低最大荷载、减小加载比和采用长圆孔型均可有效提高TA17钛合金连接件的疲劳寿命。采用XFEM模块可以预测连接件疲劳寿命的S-N曲线,预测TA17钛合金结构载荷增大33.3%,疲劳寿命减小为原来的1/4,可为工程疲劳设计提供参考依据。     

基于位移等效的复合道面PCN计算方法

为了对复合道面承载力进行合理的评估,研究了 现行规范中复合道面等级号(Pavement classification number,PCN)计算方法,分析场道承载力的影响因素,确定了进行厚度折算的位 移等效原则。通过设计正交试验,经大量有限元试算,回归得到了复合道面厚度折算公式, 最后就各因素对厚度折算的影响规律进行了讨论。结果表明：复合道面PCN计算时,可按位 移等效原则将复合道面简化为一当量厚度的单层刚性板;道面混凝土厚度是影响PCN计算结 果的最关键因素。不同厚度折算计算方法会导致计算的PCN值差异较大;沥青混凝土厚度对 厚度折算结果的影响最为显著。     

燃烧室-涡轮耦合流动传热超大涡模拟研究

为了准确预测发动机燃烧室和涡轮耦合复杂气热环境下涡轮部件的流动和换热特性,应用基于BSL k-ω湍流模型的高精度超大涡模拟方法(VLES),以及SST k-ω雷诺平均湍流模型对雷诺数为Re=3.8×105的高压涡轮导叶在均匀进口条件以及燃烧室-涡轮耦合情况进口条件下的涡轮流动和传热进行了数值研究.耦合火焰面生成流型(F...     

密集型空气雾化流场破碎特征数学模型研究

低速液体射流在高速湍流气体作用下的气液同轴射流雾化流场是瞬态密集型喷雾场,高速湍流中影响和控制雾化的因素很多。针对空气雾化流场液核分布与特征进行分析,开发了模拟液核的随机浸入体模型,结合大涡模拟方法对同轴射流空气雾化喷嘴下游流场进行数值模拟。模拟结果与实验结果对比表明：随机浸入体模型可快速捕捉液核的长度和位置信息。当气液动量比M为3~10000时,能够较准确地预测液核长度,当M>10时,其预测结果远优于唯象模型;该模型能够捕捉回流区、大尺度涡等流场结构。同时,可以准确地预测喷嘴附近的液滴粒径,特别是在气流速度较大（>60m/s）时,液滴平均直径预测误差<10%。     

双定子涡流制动器电磁参数对制动力矩的影响

介绍了双定子涡流制动器(DSECB)的工作原理。根据等效磁路法推导了DSECB制动力矩公式。利用有限元法对DSECB进行了3D仿真分析。详细分析了DSECB各电磁参数对制动力矩特性曲线的影响,为DSECB优化设计提供了参考依据。     

大涡模拟进口合成湍流方法

进口瞬时湍流脉动条件直接影响大涡模拟的精度。对比研究了更适合工程应用的合成涡和合成谱方法,并通过考虑进口速度时间相关和随机数的概率密度分布,对合成谱方法进行改进。对零压力梯度平板湍流模拟结果的对比表明:不同湍流合成方法得到的合成湍流均存在发展为真实湍流的过渡过程;考虑进口湍流脉动的时间相关有助于合成湍流更快地发展为真实湍流,需要的流向距离更短;合成谱方法采用正态分布系数优于均匀分布,改进的合成谱方法优于常规合成谱方法。     

改进的离心压气机滑移因子模型

建立一种基于Qiu模型的改进的离心压气机滑移因子模型。该模型在Qiu模型的基础上,增添二次流项来修正滑移因子,同时考虑了出口叶片角与最大叶片角的差值及相应位置。采用亚声速叶轮Krain4、跨声速叶轮Krain6和IET200叶轮对该改进模型进行CFD验证,并对模型二次流项中常系数c的取值进行讨论。结果表明:与Qiu模型及其他传统滑移因子模型相比,该改进模型的精度较高,平均相对误差在2%以下,适用于亚声速及跨声速离心压气机。