超临界RP-3航空煤油喷嘴内部流动与相变特性研究

未来航空燃气轮机采用燃油作为冷却剂,对发动机冷却空气及热端部件进行冷却,使得燃油在进入燃烧室之前超过其热力学临界点,燃油的热力学性质发生巨大变化,将对燃油在喷嘴内的流动和喷嘴下游的喷射掺混过程产生重要的影响,因此有必要对超临界RP-3在喷嘴内的流动与相变特性展开研究。本文采用自主设计的喷嘴内部收缩通道模拟试验件,对超临界RP-3在喷嘴内的沿程压力分布进行测量,并采用基于一维等熵假设的计算方法进行数值模拟。试验首次获得了超临界航空煤油RP-3在喷嘴收缩通道内的沿程静压分布随喷射压力、温度变化的规律。通过与模型对比,发现未发生相变时,计算结果与试验值拟合精度较高,可以较好地预测RP-3在喷嘴内的流动参数,喷嘴内的静压分布也趋于一致;发生冷凝相变时,计算结果与试验值产生误差较大,喷射参数对于静压分布存在着较大的影响。本文试验获得的超临界RP-3航空煤油在喷嘴内的流动与相变特性,为航空发动机超临界RP-3喷射的喷嘴设计提供了重要的设计依据。     

湍流度对边界层转捩测量的影响

通过实验研究了气流湍流度对边界层转捩各种测量方法的影响,指出:随机信号均方根值法是检测边界层转捩较有效的方法。在转捩过程中随机信号均方根值变化较大且稳定。此外还研究了气流湍流度和不同频率的声波扰动对转捩区速度脉动均方根值分布的影响,指出:存在最大脉动均方根值,其位置在0.2δ高度附近,且不受湍流度和声波扰动影响。     

梯形截面微管道内流场的PIV测量

利用micro-PIV系统测量了去离子水在水力直径为237μm,长度为31mm的梯形截面微管道内的流场结构,得到了不同雷诺数下沿流动方向不同位置微管道中间截面上的速度分布,并利用数值模拟方法计算了相应雷诺数下三维梯形截面微管道内的速度分布。实验结果和数值模拟结果显示实验中的梯形截面微管道内从层流到湍流的转捩发生在Re=1500～1800左右,实验中充分发展段长度Le。微管道水力直径Dk和雷诺数之间的关系可由公式Le／Dk=（0．08～0．085）船表示。     

二次流动对气冷涡轮叶栅流场的影响

针对典型跨声速高压涡轮叶型平面叶栅吸力面单排孔气膜冷却,采用数值模拟方法,比较分析了加入气膜冷却前后流场变化。结果表明,由于二次流动的影响,加入气膜冷却以后吸力面后部接近下壁面处没有受到冷气保护而直接暴露于主流高温燃气,在实际高压涡轮中将极大的降低叶片寿命。没有气膜冷却情况下,吸力面接近下壁面处边界层仍有可能因受到二次流动的影响发生转捩;加入气膜冷却情况下,气膜孔中心位置下游边界层由于射流和主流的相互作用将转变为湍流边界层,而由于孔间距的影响,只有射流和主流充分掺混以后才能影响到整个叶片的范围。     

基于蒙特卡洛方法的冰晶撞击特性计算

航空发动机摄入冰晶易发生内部结冰、造成发动机推力损失,严重时引发航空事故。冰晶结冰数值模拟是研究冰晶结冰的重要手段,而撞击收集系数计算是冰晶结冰数值模拟的关键环节。基于NNWICE平台开展冰晶结冰前期的阻力系数、运动轨迹和撞击收集系数的数值模拟与计算研究,实现了基于蒙特卡洛方法的冰晶撞击收集系数的准确计算;在此基础上发展了拉格朗日框架下冰晶粒子运动、传热传质耦合数值计算方法;通过完成二维NACA0012翼型的相关算例,对比分析了不同阻力模型和冰晶相变对撞击收集系数的影响。结果表明阻力模型对冰晶撞击收集系数影响较小,冰晶相变过程会对冰晶运动轨迹及撞击收集系数产生显著影响,为进一步发展冰晶结冰数值模拟计算方法奠定了基础。     

变循环发动机模态转换建模及控制规律设计方法研究

为了实现变循环发动机快速可靠的模态转换,本文发展了变循环发动机模态转换过渡态模型及控制规律设计方法。在变循环发动机动态数值仿真程序的基础上,针对模态选择阀与涵道引射器这两个模态转换过程中的关键变几何部件,建立了高精度的气流突扩局部损失模型。首次提出了可考虑模态选择阀堵塞对发动机性能影响的模态选择阀堵塞模型,消除了由于模型不精确造成的模态转换参数波动。在建立的变循环发动机数学模型的基础上,提出了基于直接推力控制技术的模态转换控制规律设计方法,考虑了变循环发动机的8个可调参数,采用差分进化算法对模态转换过程进行了优化。结果表明,本文提出的模态转换控制规律设计方法可以实现变循环发动机快速平稳的模态转换,双外涵转单外涵的参数变化规律与单外涵转双外涵的参数变化规律基本类似,推力在0.6秒就稳定在目标推力值,其余参数大多在1.4秒之后才趋于稳定。本文提出的变循环发动机模态转换控制规律设计方法还可应用于常规航空发动机的加/减速过渡态控制规律设计中。     

壁面温度控制对平板边界层影响的数值研究

通过对零压力梯度的平板边界层流动施加温度控制,展开壁面温度控制对平板层流边界层和湍流边界层影响的研究,探索温度控制对平板转捩雷诺数和壁面摩擦阻力的影响规律。采用带有转捩模式的三方程湍流模型对平板边界层流动进行数值模拟,重点考察了壁面摩阻系数、平板转捩雷诺数、湍流边界层流动随壁面温度变化的规律。计算结果表明在壁面温度从288 K 增大到432 K 时,边界层转捩雷诺数增大约36%,表面摩擦阻力减少约9.6%。研究分析表明：加热控制使层流区域温度边界层内粘性作用增强,雷诺切应力和湍动能减小,流动更加稳定;而湍流区域边界层内粘性底层中速度梯度和粘性切应力减小,导致壁面处摩擦切应力减小。因此壁面加热控制可以延迟边界层转捩,减小湍流区摩阻系数,并减小平板摩擦阻力。     

涡扇发动机低压部件通流耦合计算

为了研究各部件匹配与过渡段几何参数对发动机总体性能的影响,针对某涡扇发动机风扇、低压涡轮、内外涵道、掺混段和尾喷管等部件,基于周向平均Navier-St okes通流控制方程,采用时间推进有限体积法进行了部件耦合计算求解,将沿程各部件性能计算参数与试验做了对比,结果表明:在设计状态下发动机沿程各截面计算特征参数与试验值最大误差不超过5.0%,说明该通流耦合计算方法能够快速预估发动机总体性能,完善各部件匹配关系,在发动机总体设计初期有一定工程应用价值。     

一种带有过渡因子的下压指令设计方法

针对高超声速飞行器由滑翔段转入下压段的过程中运动状态无法快速与制导律进行匹配,从而引起弹道震荡的问题,设计了一种带有过渡因子的下压指令,改善了飞行器的过渡品质。首先,分析了高超声速飞行器平衡滑翔弹道,提出了平滑过渡的基本条件,并引入了一次函数、多项式、正弦、指数形式的过渡因子;然后,设计了3种带有过渡因子的下压指令;最后,通过仿真验证了下压指令的合理性。结果表明,该算法设计出的下压指令计算量小、制导精度高,且具有一定工程应用价值。     

临近空间环境下封闭方腔内耦合换热特性

以临近空间浮空器载荷舱为应用背景,对复杂热边界条件下含热源的三维封闭方腔内自然对流、表面辐射和导热的耦合问题进行了数值模拟。综合考虑对流换热、长波辐射、太阳辐射等因素的影响,建立了临近空间热环境模型。通过Fluent软件用户自定义函数（UDF）引入外部非定常的辐射-对流耦合热边界条件,对腔内换热特性的昼夜变化进行研究,并分析了腔壁厚度、发射率和导热系数对其的影响。数值结果表明,腔内平均温度昼夜变化很小,约为12.9 K,但温度场分布随太阳方位变化而变化;腔内对流换热较弱,同一时刻最大温差约为71.3 K;腔壁热阻和发射率增加会削弱自然对流的强度。