反推状态下大涵道比涡扇发动机气动稳定性预测与评估

为了预测与评估反推状态下,反推气流再吸入对大涵道比涡扇发动机气动稳定性的影响,采用反推气流扰流流场三维CFD数值模拟、发动机整机稳定性计算分析以及反推状态下发动机进气畸变台架试验相结合的方法,开展了反推气流对大涵道比涡扇发动机气动稳定性影响的研究。通过三维CFD数值模拟手段,捕获了反推状态下发动机进口流场的畸变程度。在此基础上,通过采用稳定性计算程序预测了发动机的气动稳定性,并进一步通过发动机台架试验,验证了预测结果。CFD计算结果表明,随着相对来流马赫数的减小,反推气流被发动机重新吸入的可能性不断增大,当相对来流马赫数减小到0.05时,外侧发动机进口的流场畸变情况变得最为严重。进气畸变情况下的整机稳定性计算分析以及发动机台架试验结果表明,在所考核的目标状态,若只存在因反推气流再吸入引起的进口流场畸变,是不会导致发动机失稳的。     

出口轮毂形状对大型轴流风机性能影响的数值研究

针对某大型轴流风机设计了4种出口段轮毂匹配方案,采用数值模拟方法对比分析了4种方案下的风机特性和叶尖以及叶根流场结构.结果表明:出口轮毂形状的变化对该风机叶尖流场结构影响很小;该风机出口无轮毂时,在叶根区域出现约占20%叶高区域的分离流,损失严重,降低了工作效率;在相同的叶尖间隙下,风机效率随着出口轮毂扩压角的减小而提高;在风机出口增加一个匹配的平直轮毂或收缩轮毂可使叶根分离涡后移,分离区域减小至5%叶高以下,同时可使该风机效率至少提高2个百分点.     

单/双涵道模式转换动态过程的数值研究

为研究变循环发动机单/双涵道模式转换动态过程中流场参数的变化规律，基于本项目组设计的模拟模式转换过程的试验台，利用动网格技术对该试验台进行了二维数值模拟。结果表明:在模式转换动态过程中，内外涵流量和总压的变化滞后于阀门缓慢关闭的状态；并且阀门变化速率越快，其内涵总压和流量的动态响应越滞后；而静压的变化规律则相反。此外，还研究了在阀门关闭过程中，不同初始涵道比对这种流场参数变化滞后性的影响。发现初始涵道比越小，滞后性越强；并且这种滞后性在阀门关闭至22°位置时达到最大。     

旋流畸变对压气机失速发展过程影响的试验研究

为研究进气旋流畸变对轴流压气机失速发展过程的影响,设计了一种叶片式旋流畸变发生器。通过改变叶片式旋流畸变发生器的叶片安装方式来改变进口气流流向,产生对涡或整体涡,研究均匀进气、对涡和整体涡进气条件下低速轴流压气机失速发展的特点。试验结果表明:旋流畸变发生器达到了预期的设计要求,在压气机进口前产生了对涡和整体涡。压气机转子对进口旋流畸变有很大的影响,对正向旋流有一定加强作用,使正向旋流强度增大;对反向旋流有一定抑制作用。旋流畸变减小了压气机的稳定裕度,切向气流角越大效果越明显,使其更快进入失速,其中以对涡进气和正向涡进气条件下最为明显。旋流畸变进气条件下压气机中失速团的产生机理不发生改变,失速团传播频率不发生改变。     

基于并行遗传算法压气机叶片自动优化设计

结合小生境法与算子自适应法对基本遗传算法进行改进,采用WinSock接口、多线程、CS体系结构,实现并行遗传算法.将并行遗传算法与NS方程流场计算方法、Hicks-Henne函数叶型参数化方法结合构成叶型自动优化设计软件,软件可用于叶型设计和对已有叶型的改进.在构造目标函数时,根据工作攻角范围,构造了考虑非设计点性能的目标函数.分别对进口马赫数为0.5和0.9左右的叶栅采用三台计算机进行并行气动优化设计,优化叶型设计点和非设点性能都明显好于原始叶型.     

基于时间推进的轴流压气机气动性能计算模型

基于时间推进方法,通过求解周向平均带体积力源项的流动控制方程,融合发展较为完善的落后角及损失模型,考虑径向掺混影响,同时引入Koch稳定边界模型,建立了一个轴流压气机性能预测计算模型。利用该模型对两台四级低速轴流压气机及两台单级跨声速压气机展开计算,得到了相应的特性曲线,并将计算值与相关实验数据进行对比分析。结果表明,该模型能可靠预测轴流压气机总体特性,可为多级压气机特性分析提供有效的技术支撑。     

弯曲叶片对压气机轮毂-角区失速的影响

为了数值模拟弯曲静子对某两级低速轴流压气机总体性能及轮毂-角区失速的影响,选取了第1级静子进行弯曲。弯曲静子积叠线为贝塞尔曲线-直线-贝塞尔曲线(Bezier-line-Bezier,BLB)形式,弯高为20%叶片高度,弯角为10,15,20,25和30°。结果表明,弯曲叶片能有效抑制小流量范围内的轮毂-角区失速,从而改善压气机的性能。过度的弯曲会带来较大的叶型损失,从而导致大流量工况下压气机效率有所下降。扩散因子不能作为判断轮毂-角区失速是否存在的主要依据。     

可调静子旋转凸台位置对端区流动的影响

对包含凸台的可调静子模型进行简化,研究了不同凸台位置对端区流动的影响.通过实验测量与数值模拟对比可以发现:可调静子端区流动损失主要是由叶片气动负荷引起的泄漏及气流绕过凸台造成的掺混2个部分组成;通过合理优化设计,将凸台置于气动负荷高的叶片前缘并覆盖尽可能多的前缘间隙,能够有效降低损失,改善气动性能.      

轴流压气机静子角区分离流动的DDES数值研究

为进一步加深对压气机静子角区分离流动非定常性和湍流特性的认识,以某台用于低速模拟的多级低速轴流压气机的第3级改型静子为研究对象,采用延迟脱落涡模拟(DDES)方法进行详细的数值研究。结果表明:压气机静子角区分离流动受到叶片几何参数和来流条件的综合影响;通道涡是引起静子角区分离的主要涡系结构,其发展过程伴随着大小尺度发簪涡的交替出现;通道涡、发簪涡和尾迹脱落涡的相互作用是引起静子角区分离流动非定常性的主要来源;静子角区存在高度各向异性和能量反传的湍流特征;角区分离区的频率幅值强于主流区,振幅较大的区域位于500 Hz以下的低频区。      

大涵道比涡扇发动机整机稳定边界预测方法

为了评估风扇/压气机在整机环境下的稳定边界,采用加源项的一维欧拉方程构建小扰动线性化的发动机整机控制方程组,建立了大涵道比涡扇发动机稳定性分析模型,利用李雅普诺夫稳定性理论,对其整机环境稳定边界进行了评估分析。计算结果表明,风扇/压气机在整机环境和单独部件环境下稳定边界存在差异。风扇整机环境稳定边界和部件环境稳定边界基本重合,整机环境稳定裕度略有减小;增压级整机环境稳定边界下移,可用稳定裕度减小;高压压气机随着换算转速降低整机环境稳定边界下移,稳定裕度减小。