离心压缩机密封及空腔流动的一维/三维耦合建模研究

为了在保证数值预测精度的同时降低离心压缩机的建模复杂度,以一维密封泄漏计算替代完整的密封及空腔建模,开展了离心压缩机盖盘密封及空腔流动的源项建模方法研究。结果表明:基于源项方法的密封及空腔简化建模仅需在主流道建模基础上施加泄漏质量流量、总温和摩擦损失源项边界条件,即可较高精度地还原完整的盖盘密封及空腔建模的性能和关键流动细节。与完整建模相比,在全工况下源项建模预测的等熵效率的绝对偏差小于0.65%,总压比和等熵效率的相对性能偏差小于1%。该方法可在满足下游部件匹配设计精度需求的同时,减少50%以上的网格数量,并显著提高计算的经济性和收敛性。泄漏流量的计算精确度是影响源项建模法性能预测准确性的最关键因素,耦合建模可以采用一维计算中推荐的密封泄漏系数值。      

考虑空腔的高超声速多流动区域同步数值模拟

先进的高超声速飞行器具有薄壁空腔结构,在飞行过程中受热会产生空腔内气体流动现象,从而影响流场和结构的温度分布。采用数值方法准确模拟高超声速流场、结构温度场和空腔内流动对热结构分析是很有必要的。以研究空腔流动对结构温度分布影响为目的,发展了一种适用于多流动区域流场/结构温度场耦合问题的同步计算方法,并以高超声速带空腔结构物体为例,数值研究了其外部气动热/结构热传导引起的空腔热对流问题。以已发展的高超声速外流场/结构温度场同步计算方法为基础,为了进一步考虑空腔内低速流场,采用了预处理矩阵方法。在流场与结构温度场的交界面两侧分别引入虚拟单元,从而高效地实现相邻场之间物理信息交换。首先通过标准算例验证了方法在求解单独气动热/结构热传导问题以及空腔自然对流问题中的准确性。进而对封闭和带有开孔的两种高超声速运动圆环分别进行多流动区域同步数值模拟。计算结果表明,由于结构温度不均匀引起的空腔内热对流反之也会对结构温度场分布产生轻微的影响。在空腔内气体流动的影响下,封闭圆环的前缘温度在35s内最多下降0.8%左右。对于带开孔空腔的圆环,其孔壁周边温度在0.5s内能够超过外流前缘驻点温度。     

超声速串列静叶积叠优化分析

在进口超声速、气流转折角大的高负荷条件下,静叶通道中激波强度高,激波、附面层干扰引起的损失大,且静叶中三维流动引起的径向载荷分布不均匀,易产生角区分离。叶片积叠优化是提高风扇性能的一项有效技术。采用数值模拟的方式研究了不同积叠形式对优化串列静叶沿展向激波结构,改善叶排间流动匹配的作用。三维流动对比分析可以得出:高负荷串列静叶采用正弓形积叠,叶片展向载荷分布合理,静叶端壁角区分离损失减小,前后叶片排流动匹配较好,风扇性能进一步提高。     

不等温空腔的有效发射率计算

采用Monte-Carlo法对不等温空腔的有效发射率进行计算分析,讨论了腔壁的不等温性、材料的光谱发射率和方向发射率对法向有效发射率的影响,为黑体辐射源的设计提供了理论计算依据。     

开放空腔壳体入水流场结构及流体动力特征研究

基于混合介质雷诺平均Navier-Stokes方程，对开放空腔壳体垂直入水运动过程开展了数值研究，得到了压力场、速度场分布，空泡波动、闭合特征，空腔气体涨缩规律，以及流体动力变化规律，并分析了空腔结构在入水运动过程中对流场结构和流体动力的影响。结果表明：液体随气体涨缩同步进出开放端；开放端局部形成波动的压力源和周期性的压力场、速度场分布；入水空泡呈现波动形态，其扩展程度与开放端液体流速相关；空泡内形成气体漩涡，随空腔涨缩往返进出空泡，对空泡闭合具有抑制作用；流体动力呈波动变化规律，频率与气体涨缩频率一致，幅值与气体涨缩程度成正比。开放空腔结构在入水过程中空腔内气体发生涨缩运动，对流场结构和流体动力产生周期性扰动作用，在一定程度上可以减缓冲击、维持空泡及运动的稳定性。     

离心压气机级串列叶栅扩压器内流场的数值研究

对某一带串列叶栅扩压器的离心压气机级进行了数值模拟,分析了串列叶栅扩压器后排叶片不同周向位置对压气机级流动及性能的影响.结果表明:串列叶栅扩压器性能优于单列叶栅扩压器,其后排叶片在不同周向位置处效率和压比均优于单列叶栅扩压器,效率提高幅度能达到1.9%,压比的提高幅度为2.85%.串列扩压器分流叶片的周向位置对其内部流动情况有显著影响,两排叶片之间存在一个最佳位置使扩压器损失最小.串列叶栅扩压器的主要损失集中在50%叶高以上的区域.     

导风轮叶片偏置对高压比串列离心压气机性能的影响

为提升高压比串列离心压气机的性能,借鉴常规一体化离心叶轮中偏置分流叶片的方法,针对某高压比串列离心压气机,应用数值仿真手段分析了串列叶轮中导风轮叶片周向偏置对压气机流场和性能的影响。通过对不同导风轮叶片偏置方案下压气机流场的分析,建立了压气机流动损失与偏置参数的关联性。研究表明:采用较大的偏置参数γ可降低导风轮叶片1前缘的激波强度,改善激波作用导致的泄漏涡破碎和流动分离,但过大或过小的γ方案中导风轮叶顶会出现二次泄漏致使低能流体的掺混损失增加;γ=65%方案压气机综合性能最佳,其压比和效率较γ=50%分别提高了1.5%和1.4%;对于串列离心压气机导风轮叶片周向位置的优化,在避免导风轮叶顶形成较强二次泄漏的前提下,应考虑采用较大的偏置参数γ,同时应防止诱导轮尾迹流体参与导风轮的叶顶泄漏。     

混凝土靶侵彻计算的半经验法

在球形空腔膨胀理论基础上,通过不同强度混凝土材料的侵彻实验数据直接识别建立混凝土材料综合动态强度参数psd与混凝土材料无侧限压缩强度σ-b的经验关系式;从应力波表层损伤理论分析了混凝土表层“开坑区”的侵彻特性,提出“简化等效阻力线”的计算方法;指出球形空腔膨胀理论的阻力算式中取动阻力项系数B=1.5的合理性。理论分析和侵彻实验表明:本文方法适用于小弹侵彻混凝土靶、大弹侵彻混凝土靶和以混凝土材料为面层的部分多层复合靶的侵彻计算,克服了Forrestal半经验法的不足。     

亚、跨、超声速下空腔流场特性实验研究

在FL-21跨、超声速风洞中对空腔流场特性进行了较为深入的实验研究.空腔的长深比L/D为7、8、9、12、15,试验马赫数M范围为0.6、0.9、1.2、1.5、1.8,试验雷诺数Re为1.23～2.26×107.研究表明:空腔流场特性主要由空腔长深比L/D和来流马赫数所决定,这两个参数的变化均能引起空腔的流场类型发生变化.另外,边界层厚度涠钥涨坏撞康难沽Ψ植家灿凶畔灾挠跋?随着边界层厚度与空腔深度之比?D的减小,空腔的流场类型有向闭式穴流动转变的趋势.     

弹性空腔流致噪声/结构振动特性试验

高速空腔中经常存在高强度且多频率分量的流致噪声,空腔噪声与结构振动之间耦合效应严重,甚至可能发生结构共振。为此,在0.6m×0.6m高速风洞中,通过调整空腔底板厚度,改变其结构固有频率,模拟空腔流致噪声/振动相互作用。利用脉动压力和振动加速度测试技术,获取亚跨声速条件下,弹性空腔流致噪声特性及其结构振动响应特性。马赫数变化范围为0.6~1.2。结果表明,当振动强度较弱时,结构振动对空腔噪声影响较小,而空腔噪声对结构振动影响较大,在噪声载荷主频位置,振动谱出现峰值并且噪声/振动相关性达到最强;此外,空腔结构振动还与其固有频率特性密切相关,振动主要以低阶模态为主。