变循环发动机过渡态性能直接模拟方法

为了实现多变量可调的变循环发动机（VCE）过渡态性能模拟和控制规律设计,在稳态逆算法和过渡态性能隐式格式计算方法的基础上开发了变循环发动机过渡态直接模拟方法。在稳态逆算法模型中加入容积效应和转子动力学方程,实现了同时给定加速率、涡轮前温度和压缩部件工作点的条件下直接模拟计算过渡态过程中变几何参数和燃油流量的调节规律,验证了方法的精度和可行性,并将该方法用于变循环发动机转模态性能模拟和控制规律设计。计算结果表明,过渡态直接模拟方法的误差在0.58%以内,超声速巡航状态下由单外涵模态转换到双外涵模态的时间约为1 s,海平面静止状态下双外涵转单外涵的时间约为3 s,且推力、转速、涡轮前温度、喘振裕度等参数过渡平稳。该方法可简化转模态控制规律设计流程,并提高设计精度。     

基于RANS/LES混合方法的分离流动模拟

飞行器在大迎角、快速俯仰机动时,流场中含有大尺度、非定常的涡结构,传统雷诺平均Navier-Stokes （RANS）模型不能准确模拟流场结构,根据国际上相关研究的发展趋势,需要采用混合RANS/大涡模拟（LES）模型来对复杂分离流动进行准确模拟。本文对基于分区混合与湍流尺度混合的双重RANS/LES混合计算模型进行发展与应用。通过典型简化模型的静、动态湍流大分离流动,测试和验证所采用的脱体涡模拟（DES）类方法,重点研究改进的延迟DES （IDDES）模型在动态问题应用中的正确性和有效性,并对所采用的数值模拟方法和相应的计算软件的可靠性、鲁棒性以及精度进行了考核验证。典型算例包括超声速圆柱底部流动、跨声速方腔流动、NACA0015机翼深失速分离涡模拟等。计算表明：发展的IDDES类混合计算模型可有效解决对数层不匹配的问题;对于定态非定常分离流动,DES、DDES、IDDES等模型计算结果差别不大,随着流动的非定常特性增强,IDDES模型的优势逐渐显现;对于动态非定常分离流动,则需要采用IDDES类模型。     

膨胀效应对激波/湍流边界层干扰的影响

采用直接数值模拟方法对来流马赫数2.9,30°激波角的入射激波与膨胀角湍流边界层干扰问题进行了数值研究。入射激波在壁面上的名义入射点固定在膨胀角角点,膨胀角角度分别取为0°、2°、5°和10°。通过改变膨胀角角度,考察了膨胀效应对干扰区内复杂流动现象的影响规律和作用机制,如分离泡、物面压力脉动特性、膨胀区湍流边界层和物面剪切应力脉动场等。研究发现,膨胀角角度的增大使得分离区流向长度和法向高度急剧降低,尤其是在强膨胀效应下分离泡形态呈现整体往下游偏移的双峰结构。物面压力脉动功率谱结果表明,膨胀角为2°和5°时,分离激波的非定常运动仍表征为大尺度低频振荡,而膨胀角为10°,强膨胀效应极大地抑制了分离激波的低频振荡,加速了下游再附边界层物面压力脉动的恢复过程。膨胀区湍流边界层雷诺剪切应力各象限事件贡献和出现概率呈现逐步恢复到上游湍流边界层的趋势,Görtler-like流向涡结构展向和法向尺度变化剧烈,同时在近壁区将诱导生成大量小尺度流向涡。此外,物面剪切应力脉动场的本征正交分解分析指出,膨胀效应的影响体现在低阶模态能量的急剧降低从而使得高阶模态的总体贡献相对升高。     

跨声速压气机转子的二次流旋涡结构

为了明确跨声速轴流压气机内部流场结构,数值模拟了NASA Rotor37转子,结合λ2准则分析流场参数,探索流动的规律和旋涡结构。研究发现,压气机转子的旋涡模型主要由马蹄涡、壁角涡、径向涡、脱落涡、泄漏涡、诱导涡和分离涡等7个旋涡组成。马蹄涡吸力面分支耗散,压力面分支向相邻的吸力面发展。壁角涡与脱落涡位于叶根角区,引起流动损失和角区失速。径向涡位于激波后吸力面的分离区内,它扩大吸力面分离、引起低能流体向叶顶堆积。激波与叶尖泄漏在叶顶通道中形成3涡:泄漏涡、诱导涡和分离涡,而叶栅通道出口存在分离涡和由泄漏涡与诱导涡合成的叶顶通道涡。泄漏涡与诱导涡破碎在流道中间产生的堵塞区,分离涡造成吸力面尾缘的低速区,共同触发跨声速压气机的失稳。     

大涵道比涡扇发动机TPS短舱低速气动特性分析

为了评估民机低速带动力试验时进排气效应的影响,选取大涵道比发动机涡轮动力模拟器(TPS)短舱和真实发动机短舱作为研究对象,采用数值模拟方法对其起飞、进近状态的低速气动特性进行对比分析。结果表明:由于TPS流量低于真实发动机需求,其唇口、外罩流场特征和真实发动机短舱有所不同,阻力特性也有差别;在进气道处于亚临界状态时,TPS短舱阻力系数比真实短舱大了约1.7个阻力单位,又由于唇口当地气流攻角更大,使得TPS短舱失速攻角相对降低了约1.0°;当进气道工作于超临界状态时,TPS短舱虽然也可以反映真实短舱的流动特性,但由于捕获流管收缩情况和气流驻点随攻角的变化,使得在0°~20°攻角时TPS短舱的阻力系数高于真实短舱,而在20°~30°攻角时其阻力系数略低,差量最大约为1.8个阻力单位。对于研究的大涵道比发动机,未经唇口及外罩修正的TPS短舱其低速气动特性基本可以反映真实进排气效应的影响,但在气动特性分析中可以考虑进一步修正进气效应的影响。     

LIPS-200离子推力器放电室原初电子动力学行为的数值模拟研究

为了得到试验测量不到的气体放电过程中电磁场作用下单个原初电子的动力学行为,建立了LIPS-200离子推力器放电室二维仿真模型,应用网格粒子法(PIC)和蒙特卡洛碰撞(MCC)模拟法对其进行了研究。模拟得到在额定工况下原初电子和中性原子之间的碰撞概率、原初电子损耗率、电磁场分布对其运动速度及运动轨迹的影响等。结果表明磁铁表面磁感强度最大,越靠近放电室内部磁感强度越小,对称轴区域无磁场分布,原初电子在电磁场作用下沿磁力线作加速螺旋运动;运动等离子体的自洽电势大小范围仅为0~2.0V,几乎不会影响等离子体运动;对应总原初电子个数为1.2×106时直接被阳极表面吸收的损耗率仅为0.02%。     

乙醇-空气稀液雾值班火焰的大涡模拟研究

为加深对气液两相湍流燃烧现象的认知,检测火焰面模型在液雾燃烧中的适用性,本文在欧拉-拉格朗日架构下使用火焰面/反应进度变量模型(FPV)数值模拟了乙醇-空气稀液雾值班火焰。欧拉坐标系下的气相湍流场使用大涡模拟方法模拟,离散液相则使用拉格朗日颗粒轨道模型进行描述,考虑了相间质量、动量、能量交换。燃烧模型中采用碳元素定义混合物分数,在混合物分数方程源项中体现液相对燃烧模型的影响。模拟得到的气相温度分布和液相统计值均和实验数据较好吻合,验证了该燃烧模型对稀液雾扩散类型火焰的适用性。分析瞬时图发现,该稀液雾火焰的最高燃烧温度往往位于当量混合物分数附近,在出口下游20倍直径处火焰完全点着,此处上游FPV模型能给出局部点火熄火现象。蒸发作用在剪切层和点火区域较强,而液滴和火焰作用较弱,单一液滴很少被火焰包围。     

跨声速压气机多圆柱孔式处理机匣设计与扩稳机理研究

基于对跨声速轴流压气机内部失稳触发机制的认识,设计了一种新型多圆柱孔式处理机匣结构。对带该处理机匣的跨声速轴流压气机转子Rotor-37的内部流动进行了全三维非定常数值模拟,结果表明该新型多圆柱孔式处理机匣结构可使压气机的综合裕度提高6.5%,而最高效率点效率仅降低0.19%。对多圆柱孔式处理机匣的扩稳机理进行了详细分析,结果表明处理机匣能有效消除低速流体团引起的通道阻塞现象,并将低速阻塞流体团抽吸进入处理机匣容腔,然后从前端喷口预旋喷出以抑制叶顶区域的流动分离,从而有效提高跨声速轴流压气机的失速裕度。     

出口马赫数分布可控的二元高超进气道双重反设计

在出口马赫数分布预先给定的前提下,利用二维有旋特征线理论实现了压缩面马赫数分布可控的两弯曲激波和三弯曲激波高超二元进气道反设计。数值计算结果表明,设计点时,无粘条件下两种反设计方法均能实现预设出口马赫数分布,有粘条件下反设计的进气道出口主流区马赫数分布与预设分布吻合较好,接力点时出口主流区马赫数仍然保持较好的均匀性。以上结果说明这两种反设计方法均是正确可行的。设计条件下,在捕获高度、无粘出口高度、设计无粘总压恢复系数和装配点处流动参数均相同时,两弯曲激波反设计方法波系简单、有粘接力点流量系数较三弯曲激波高10.2%;三弯曲激波反设计方法有粘时内收缩比较前者小17%,设计点和接力点时总压恢复系数分别较前者高2.9%和2%。     

直升机起飞性能试飞方法研究

当直升机可用功率不足以维持地效外悬停时,直升机可以利用地面效应增速至一定前飞速度完成起飞。研究了地面效应和前飞速度对直升机剩余功率的影响,阐述了利用剩余功率进行有地效起飞的原理。介绍了3种有地效起飞方式,并使用水平加速—定速爬升法进行了起飞性能飞行试验,得到了水平越障距离随爬升速度的变化曲线,对飞行试验结果进行了分析,得到了有益的结论。