超声速流动现象的水流模拟与仿真

根据流体流动控制方程组,研究发现明渠中的浅水波和气体中的扰动波具有相同的传播特征,因而可用直观形象的水流实验来模拟复杂的气体动力学现象。运用收缩扩张形实验明渠得到的水流实验结果与气体流场数值仿真结果具有良好的一致性,验证了明渠流模拟气体动力学现象的有效性。研究结果表明：拉瓦尔喷管中的马赫数M与同尺寸明渠中的弗劳德数Fr具有相同的变化规律;明渠中的超临界流通过楔形体和圆柱体时的流动现象可以比较理想地模拟出超声速气流在相应条件下的膨胀波和激波现象;通过改变出口外部水位的方式在明渠内形成的水跃波,可以非常形象地模拟出拉瓦尔喷管在相应条件下形成的管内激波。     

轴向间距对压气机通道堵塞及总性能的影响

为了研究转静子叶片排之间的轴向间距对压气机内部流动堵塞及气动性能的影响,选取某单级轴流压气机为研究对象,采用多通道非定常数值计算方法对其5种不同轴向间距下的内部流场进行了全三维数值模拟。结果表明:在每一种轴向间距下,当压气机节流至某一工况之后,压气机通道内的流动堵塞区主要集中在转子叶顶间隙区域和动叶吸力面尾缘附近以及静叶吸力面轮毂角区内;在同一流量下,随着轴向间距的减小,转子叶根吸力面尾缘处的流动堵塞区有所扩大,但转子叶顶间隙区域及静叶吸力面轮毂角区内的流动堵塞区体积却不断减小,压气机通道内回流区的总体积也随之减小,其结果是压气机的静压升能力和流动稳定性增强且效率增大。通过进一步研究发现:在同一流量下,当轴向间距减小时,转子叶顶间隙区域内的主流轴向动量增大且泄漏流的轴向动量减小,其结果是转子叶顶间隙区域内流动堵塞区的体积减小。     

周向畸变进气下压气机动态失速特性研究

为研究周向畸变进气下压气机动态失速特性,在一大尺寸低转速压气机试验台上进行了均匀进气和180°周向畸变进气下压气机动态失速实验。采用时域观察、频域快速傅里叶变换以及时频域的同步压缩小波变换、基于同步压缩小波变换的空间模态分析和小波相干性分析等方法对动态失速信号进行分析。结果发现,畸变进气下,压气机旋转失速发生前出现0.225倍转子转动频率的一阶模态扰动,该扰动在相对畸变网不同位置区域周向传播速度不一致。宽带非定常扰动在畸变区尾缘附近最强,在畸变区前缘附近最弱,并存在周向尺度转化现象。转子转动频率扰动周向也出现强度变化,最大值出现在非畸变区中心附近的测点。周向畸变条件下集总系统模型对比实验结果的分析表明:实验和模型结果符合较好,旋转失速前非定常扰动周向强度和尺度变化主要受流量系数变化的影响,而一阶模态扰动周向传播速度不均匀现象是畸变进气下压气机系统特性作用的结果。     

转子叶顶间隙泄漏流轨迹前移的动力学机制

为了揭示压气机转子节流时其叶顶间隙流动的演变趋势及其形成机理,选取某亚声速轴流压气机转子为研究对象,采用多通道非定常数值计算方法对其内部流场进行了全三维数值模拟.结果表明:随着压气机转子流量减少,主流轴向动量减小,而在叶顶间隙两侧压力梯度和二次泄漏流的共同作用下,叶顶间隙泄漏流的轴向动量却不断增大,导致叶顶间隙区域内泄漏流与主流的轴向动量比不断增大,从而推动叶顶间隙泄漏流与主流的交界面不断向上游移动,这意味着叶顶间隙泄漏流在叶顶通道内造成的流动阻塞区不断扩大,正是叶顶间隙泄漏流相对于主流的增强造成的叶顶流动阻塞区不断扩大最终导致了该压气机转子进入失速状态.     

进气旋流畸变对压气机性能的影响

为研究进气旋流畸变对压气机性能影响,在单级轴流压气机试验台上加装旋流发生器.利用所设计的旋流发生器,产生不同旋转方向及不同强度的整涡旋流畸变和对涡旋流畸变,分析其对压气机性能、稳定性的影响.结果表明:在一定旋流畸变强度下,正向整涡旋流畸变会减小压气机增压能力,但增加压气机稳定裕度;相比之下,反向整涡旋流畸变对压气机增压能力影响较小,但对稳定性有显著影响.对涡旋流畸变对于压气机的增压能力影响较小,可以忽略不计,对压气机稳定性有一定的影响.      

压气机失速过程中的壁面压力分布特征

为了深入认识失速团在不同时刻的特征,采用一种基于二维壁面静压谱的分析方法对几种典型状态下的单级轴流压气机转子叶尖流场静压分布特征进行了详细研究.结果表明:该方法能很好地观察不同时刻的失速团发展变化过程以及失速团的影响范围,同时还能判别失速团的个数以及大致的旋转速度.用此方法发现该压气机在进入失速后有1个大失速团,影响范围在4/5周向通道左右,而开大节气门后在退出失速的过程中失速团会分裂成为2个,且失速团的影响范围会变得很小,旋转速度增大.     

基于探针管路动态修正的压气机动态总压测试

为方便安全地获取压气机内部多点动态总压信号，采用气动探针将测点压力引出，并通过动态修正还原测点处的压力信号。利用爆破气球装置产生的向下阶跃输入信号和探针响应输出信号，辨识得到探针管路的离散传递函数模型，以此来修正测量信号，获得测点真实压力。所用标定方法能够实现1000Hz以内信号的动态修正，探针信号经过修正后能够消除相位延迟，且管路谐振效应对信号的放大作用显著减小。压气机动态总压测试结果表明:随着进气流量的减小，转子进口叶片通过频率信号幅值逐渐增大，静子出口宽频扰动增强，在近失速点宽频扰动最大；压气机突尖型旋转失速先兆首先出现在转子叶片前缘叶顶附近，而后向叶根方向迅速扩展，并形成全叶高范围的旋转失速团，完全发展的失速团传播速度约为30%转子转速。     

涡轴发动机稳定性实验研究

为了评定涡轴发动机的稳定性,采用了可移动插板式压力畸变发生器评定方法对其稳定性进行评定,通过分析喘振时的压力信号,得到了临界状态下的各种参数和临界畸变指数,在此基础上间接地比较了四台发动机的稳定性的好坏,并且发现该发动机由于离心压气机首先失稳从而引起发动机喘振,且低转速下对喘振的容忍能力要高于高转速状态,这些结论可以作为该型涡轴发动机改进和设计使用的参考依据.     

单级轴流压气机的旋转失速特性实验

以一台单级低速轴流压气机为研究对象,采用在压气机周向、轴向不同位置处布置多个动态压力传感器的方法,获取了压气机失速过程中不同位置动态压力信号的变化情况,通过对各测点的压力信号分别进行了时域、频域分析.结果表明:压气机在失速前出现尖脉冲型扰动;失速后的失速团的有分裂和合并的现象,个数在1和2之间相互转换,但退出失速时总是由两个合并成为一个,并且在几个转子周期内迅速退出;对失速时的压力信号频谱分析证明了对失速团个数判断的准确性.      

压气机转子叶尖区域流动特征的观测与分析

为了揭示压气机转子内部真实流动的演化过程并分析其背后的流动机制,采用示迹线显示空气流动的方法对某低速轴流压气机转子流场进行了直接观测,同时结合多通道非定常数值模拟技术分析了转子叶尖区域流动特征及其形成机制.结果表明:叶片上的示迹线直观形象地显示了转子内部复杂流动随压气机工作状态变化的演化过程.即随着压气机转子节流,叶顶间隙泄漏流的轨迹不断向上游移动,到达近失速工况时,泄漏流与来流的交界面与转子叶顶前缘平齐,与此同时转子叶尖吸力面附近出现了大面积的回流,且回流的气体均向叶顶前缘聚集.通过进一步研究发现叶顶间隙区域内泄漏流与主流的轴向动量之比随转子流量系数减小而不断增大是导致泄漏流轨迹前移及叶顶回流区扩大的物理机制.