变密度平面叶栅风洞的设计与实现

为满足先进涡扇发动机对变雷诺数平面叶栅试验的需求,设计了亚/跨/超声速来流高效变换、雷诺数和马赫数独立调节、压气机和涡轮平面叶栅试验为一体、换热与冷却试验能力兼具的变密度平面叶栅风洞,提出了风洞的总体设计方案。文章详细介绍了风洞引射器、半柔壁喷管及试验舱等部件设计问题,分析了流场调试及典型叶栅试验结果。调试结果表明:采用的部件设计技术实现了变密度平面叶栅风洞的主要功能,试验雷诺数可低至3.1×105 m–1,具备开展低雷诺数平面叶栅试验的能力。风洞流场调试结果满足《低速风洞和高速风洞流场品质要求》（GJB 1179A—2012）,为研究亚/跨/超声速压气机和涡轮叶栅低雷诺数流动问题提供了重要试验平台。     

风洞T型冲击三通管道流场特性数值模拟

在24 m跨声速风洞进气管路T型冲击三通连接处和隔板位置,每隔一定时间会出现裂纹,影响了风洞的安全稳定运行。为了解裂纹出现的原因,同时为改进设计提供依据,采用CFD(computational fluid dynamics)对风洞现有三通和优化方案进行了对比。控制方程为三维黏性不可压缩Navier-Stokes方程。结果表明：无隔板时,三通内的流动为最常见的类型,支管内存在3个分离区,在转向过程中形成第1分离区,即马蹄涡;随后是第2分离区,一对反向旋转的旋涡,即Dean涡,及三通顶部壁面形成第3分离区。流场沿y=0 mm和z=0 mm平面基本呈对称分布。有隔板时,流场的左右和上下结构均不对称;在隔板和外侧壁面间的角点形成范围较小的驻涡,在支管内形成不稳定的螺旋状分离涡,致使气流振荡,从而使得三通连接和隔板处管壁出现裂纹。根据上述流态设计了管路优化方案和整流装置,优化后能有效减小或消除分离;其中去掉隔板最简单易行,可以解决裂纹的问题。     

燃气发生器应用综述

燃气发生器是适用于航空航天、舰船、石油及汽车工业等领域的燃气生成装置,具有应用范围广、种类多等特点,受到了各行各业的关注。通过对国内外的大量文献进行分类总结,分析了燃气发生器的应用研究领域。根据其工作原理进行了分类,系统阐述了各类燃气发生器的工作特点及研究进展,对各类燃气发生器在应用过程中存在的技术难点和发展前景进行了简要分析。认为研制高效、稳定、可靠的燃气发生器是各行各业发展的重点,相关研究结果可为燃气发生器的选型及研制提供参考。     

空气/酒精单喷嘴燃气发生器试验研究

针对引射系统的安全性、经济性及小型化要求，提出了一种基于航空发动机燃烧室结构的双油路燃气发生器方案，并设计、加工了单喷嘴试验件，进行了多工况下的热试车。试验结果表明，燃气发生器设计方案可行，采用高能火花塞直接点火方式可实现燃气发生器可靠点火；燃气发生器点火迅速，主要工作参数基本满足设计指标；能在较宽的流量范围内稳定工作，余气系数下限达到3.9；燃气发生器燃烧效率较高，但随着余气系数的增加而明显降低。     

高温燃气引射系统对接试验验证

引射系统是化学激光器排气系统的核心组件。为提高排气系统引射效率并适应小型化、经济性等要求，提出一种采用燃气发生器产生高温燃气的引射气源方案，建立了"基于航空发动机单喷嘴燃烧室结构的燃气发生器+两级超声速引射器"组合的引射系统试验平台，开展了燃气发生器独立热试车，并实现了与引射器的对接试验。结果表明:燃气发生器点火可靠，运行稳定；在高温燃气的引射作用下，引射器启动迅速，工作平稳，各项性能指标优于设计值；引射燃气温度一定范围内的变化基本不影响引射器工作性能。相关研究结果可为引射系统方案设计及选取提供参考。     

低速风洞内部流场数值模拟

以上海交通大学在建的多功能低速风洞为研究对象,针对其设计上的独特性,采用CFD方法首次实现对风洞内部流场的整体数值模拟,风扇段流场利用MRF模型处理,数值模拟中计及了阻尼网的整流效果。同经验设计法的气动设计结果进行对比发现,数值模拟得到的流量与设计流量差距很小,压力损失在一定程度上较为吻合。数值模拟揭示了风洞内部存在的流动分离现象,为提高风洞的气动性能提供了改进方向。对风洞同轴度下降引起的流场品质变化进行了分析,结果表明微小同轴度偏差对流场品质的影响不大。     

2m×2m超声速风洞引射器气动设计

采用一维气体引射器流动特性方程计算了该等面积混合引射器在不同运行状态下的性能参数,设计增压比为2.1~2.7,引射系数为0.392~0.651,综合结构设计要求确定引射喷嘴数目为24个,径向布置两层,面积比为0.235.引射器1∶13缩比模型的试验结果与计算值具有良好的一致性,5个设计状态下的实测增压比均略高于设计值.2m×2m超声速风洞调试时因整体参数调整导致引射器在某些工作状态偏离了设计点,但增压比与引射系数的对应关系仍与设计结果基本一致,引射器总体性能指标满足风洞试验需求.     

基于高温燃气引射的引射器设计与实验研究

结合气体热力学理论和等压引射器设计理论方法，提出了高温燃气热力学参数计算方法，研制了基于高温燃气引射的超声速引射器试验平台。通过引射器与燃气发生器的对接实验，研究了零引射和被引射气流引射两种状态下的工作性能以及引射气流温度变化对工作性能的影响。实验结果表明:被引射气流流量360 g/s时，入口总压达到3.89 kPa，优于设计指标4 kPa；引射气流温度在低于设计值100 K范围内的变化对引射器的工作性能不会造成影响。实验验证了基于高温燃气引射的超声速引射器性能计算分析与工程设计方法的可靠性，相关研究结果为燃气发生器参数优化提供了指导性建议。     

多功能风洞及CFD优化设计

上海交通大学在建的多功能低速风洞具有串列式的大小两个试验段。为提高边界层试验时的工作效率,将在大试验段的转盘前部设置自动升降粗糙元装置。为模拟风浪流联合作用环境下船舶/海洋工程结构物的流体动力响应,由旁路风道将风引至循环水槽测试部的上方,并且该测试部的风速可以随时间周期变化。为提高大试验段的流场指标,在与试验结果对比的基础上,用CFD方法模拟了风洞的内部流场,基于DOE结果生成了Kriging模型,采用多岛遗传算法得到最优解。研究结果表明优化设计的结果显著提高了流场的性能指标。     

高速风洞起动特性数值模拟

为获得高速风洞起动过程中的流场结构变化特性,采用数值模拟方法,使用二维轴对称模型对Φ 05 m高速风洞喷管段、试验段和扩压器段的流场特性进行了研究,控制方程为黏性可压缩非定常Navier-Stokes方程。对试验段马赫数为5和10两种状态下的流场建立过程进行了对比,结果表明,在风洞起动过程中,喷管内的附面层很厚,激波与附面层相互作用形成复杂的激波结构。试验段马赫数为5时在喷管段形成正激波,试验段马赫数为10时自喷管段形成激波串,起动压比低于按照正激波理论所计算得到的压比。激波串的起动速度较正激波慢,但稳定性较正激波好。起动过程中,气流发生过度欠膨胀,波前瞬时马赫数远大于喷管的设计马赫数。喷管出口的自由射流与收集器作用复杂,收集器溢流对试验段建立稳定的流动起关键作用。