基于蒙特卡罗法的航空发动机空气系统稳态算法优化

针对目前航空发动机空气系统稳态算法中收敛性依赖初值的问题，将蒙特卡罗方法与流体网络法综合应用到空气系统可压缩流体一维网络计算中，提出了一种新的计算方法Monte Carlo-Fluid Network（MC-FN）。该方法将空气系统简化为由节点和元件组成的网络，借助蒙特卡罗方法获得空气系统内各节点压力分配，再根据空气系统中各元件流阻特性和换热特性计算流量、温度。计算中通过将游动次数比较少的蒙特卡罗方法的计算结果作为流量残差法节点压力、温度的初始值，实现快速求得精确收敛解。与流量残差算法相比，MC-FN方法计算精度不变，收敛速度提升了66.5%；与线性求解法相比，MC-FN方法的计算精度提升了25.2%，收敛速度提升了43.8%。     

散射对高温气体-碳黑颗粒混合物辐射传输的影响

基于全光谱k分布(Full spectrum k distribution,FSK)模型、MIE理论和有限体积法(Finite volume method,FVM),构建了均温、均质辐射参与性气体-碳黑颗粒混合物介质热辐射传输模型,并分析了碳黑不同尺寸、不同体积浓度以及介质不同路径长度和不同温度条件下,因忽略碳黑颗粒散射所导致的介质热辐射传输特性(如辐射热流、辐射源项)的计算误差。研究结果表明:体积分数不变,增大粒径,计算误差呈现出先增大后减小的趋势;数密度不变,增大粒径,或者粒径不变,增大体积分数,均将使得计算误差相应增大;粒径、体积分数不变,增大路径长度,或者升高介质温度,均将增大计算误差。通常对于含有大颗粒、高碳黑浓度的辐射参与性气体-碳黑颗粒混合物介质,碳黑颗粒散射不能忽略。     

气膜内冷通道高度对气膜孔流量系数的影响

以一种基于旋流增益的强化换热技术为研究对象,对狭小受限的气膜孔内冷通道中气膜孔的流量系数开展了试验研究.试验中通过改变气膜孔雷诺数Re(4800～26000)、吹风比M(0.36～2.74)、无量纲冷却通道高度h/d(0.33～2.0)等参数,研究了狭小空间的几何结构、流动参数等对单排气膜孔平均流量系数Cd的影响,并得...     

小冲击间距下带倾角冲击凹柱面流场结构实验研究

针对带倾角冲击凹柱面靶板的流动特性和流场结构研究,采用烟线法开展了流场显现实验研究,重点分析了旋流产生和发展的规律。试验中通过改变冲击雷诺数、冲击间距比(冲击间距和冲击孔直径之比)、冲击角度以及凹柱面相对曲率等参数,分析了涡出现的位置、结构等随这些参数的变化规律。研究结果表明:由于冲击射流同周围静止空气之间的粘性作用、气体在凹柱面上运动、脱离的共同作用下,带倾角冲击凹柱面靶板产生了不同的旋流结构。实验中,随冲击雷诺数的增加,在冲击滞止区域两侧流体冲击靶板分离处的圆心角增大,分离推迟;由于冲击角度的影响,相对冲击角度较小侧射流与壁面分离比在较大侧提前,且在相对冲击角度较小侧更容易产生旋流结构。实验中改变的参数均影响了旋流结构及其发展特性,并且影响规律表现出较强的关联性。     

双层壳型冲击/气膜综合流量系数实验研究

为了研究新型高效涡轮铸冷叶片内部冷却通道中的流动特性,以铸冷叶片典型结构——双层壳型冲击/气膜复合冷却结构的平壁模型为研究对象,实验研究了该种冷却结构的综合流量系数Cd随冲击雷诺数Red(600～2800),主次流吹风比M(0.7～7),冲击间距比H/d(0.5～1.25),冲击孔和气膜孔间距比P/d(0,3,4)等参数的变化规律。研究结果表明:(1)Cd随着冲击雷诺数Red,吹风比M的增加而增大,在吹风比小于3工况下更为显著;(2)在相同的气动参数条件下,综合流量系数Cd随着孔排距比P/d的增加而增大,随着冲击间距比H/d的减小而显著降低。     

双层壳型涡轮叶片中冲击旋流换热增益效果试验

以双层壳型涡轮叶片内冷通道中旋流换热特性为研究对象,采用热膜法,对双层壳型冷却结构中的狭小受限通道中,旋流作用下换热特性的变化规律开展了细致的试验研究。重点分析了冷却空气的旋流作用对换热的强化增益效果。试验中通过改变冲击Re数(10 000～20 000),冲击间距和冲击孔直径之比H/D(0.35～1.7)等参数,研究了其对旋流的形成及内表面局部换热系数的影响规律。研究发现:由于双层壳型叶片内冷通道的空间受限,冷却空气在通道内形成了旋流结构,该旋流结构显著影响了内表面的局部换热系数并可以有效提高换热效果。研究结果表明:内表面局部换热系数对冲击间距和冲击孔直径之比H/D最为敏感,对于不同冲击Re数,存在一个最佳的H/D使得旋流换热增益效果达到最大(Re=10 000时,最佳H/D为0.95;Re=15 000,20 000,最佳H/D=0.63)。     

基于PIV技术的单圆孔脉冲射流流场特征

对稳态射流及脉冲射流冲击靶板时的流场特性结构进行了探索和分析。采用高频粒子图像测速技术,在射流管口到冲击靶板间距为6倍管径的条件下,对稳态射流进口雷诺数为6 000的稳态射流及脉冲频率为20 Hz的脉冲射流进行了实验测量,得到了射流核心区、壁面射流区及滞止区内的速度分布。研究发现:①由于射流剪切作用的影响,脉冲射流核心区的最大轴向脉动速度为稳态射流的3倍。②滞止区内,由于射流的剪切作用和壁面的滞止作用,导致了脉冲射流轴向速度梯度最大为稳态射流的2倍,同时,滞止区内的最大脉动速度是稳态射流脉动速度的3倍。③脉冲射流对壁面的卷吸以及旋涡的产生和传播过程,破坏了壁面射流区稳定的速度边界层。相比稳态射流,脉冲射流的流场增加了湍流相干结构的含能并产生周期性的大尺度卷吸涡。     

基于航空煤油重整的SOFC-GT混合动力系统性能

建立了基于航空煤油重整固体氧化物燃料电池-涡轮发动机（SOFC-GT）混合动力系统仿真模型,比较了两种回热方式的重整装置以及不同涡轮布置位置时的系统性能变化,优选出最佳的混合动力系统架构。进一步分析了压气机压比、燃料利用率、燃油流量以及空气流量等运行参数对SOFC-GT混合动力系统性能的影响。研究结果表明：设计点工况下,最佳混合动力系统的发电效率能达到45%,体现出良好的系统性能;当燃料利用率为082时混合动力系统的效率和功率最高;随着燃油流量(0051 1~0058 4 mol/s)的增加,混合动力系统的效率和功率均增加;而随着压气机压比(25~33)或者空气流量(37~44 mol/s)的增加,混合动力系统的效率和功率都减小。     

篦齿容积效应对盘腔空气系统瞬态特性的影响

针对航空发动机中空气系统的瞬态响应问题,以多级封严盘腔为研究对象,开展了考虑篦齿容积效应下的空气系统瞬态计算分析研究。在研究中,采用一维瞬态流体网络计算方法,重点分析了封严篦齿和旋转盘腔的容积效应,并建立了相应的一维瞬态数学模型,通过迭代求解瞬态网络守恒方程组,得到了不同边界工况下盘腔内流体参数随时间响应规律。研究结果表明,由于元件之间的相互作用,上游篦齿元件的容积效应会使得流路下游盘腔内流体参数的响应时间增大,并使温度超调提升。与极端工况相比,过渡工况下腔内平均温度的响应对篦齿容积效应更为敏感,当扰动幅值为1.3时,考虑篦齿容积效应后腔内平均温度响应时间增大10.6%,且温度超调值提升213.7%。     

燃烧室-涡轮耦合流动传热超大涡模拟研究

为了准确预测发动机燃烧室和涡轮耦合复杂气热环境下涡轮部件的流动和换热特性,应用基于BSL k-ω湍流模型的高精度超大涡模拟方法（VLES）,以及SST k-ω雷诺平均湍流模型对雷诺数为Re=380000的高压涡轮导叶C3X在均匀进口条件以及燃烧室-涡轮耦合情况进口条件下的涡轮流动和传热进行了数值研究。耦合FGM燃烧模型和VLES湍流模型,对GE LM6000燃机燃烧室进行了数值计算,验证了非稳态燃烧计算的精度和可靠性。研究表明,均匀涡轮进口条件下,VLES方法能够更准确地捕捉到高压涡轮叶栅内的非定常流动结构和传热特征,包括吸力面尾缘处出现的弱激波以及在叶片前缘上下端壁形成且向下游发展的马蹄涡,而SST k-ω湍流模型捕捉涡系能力较弱,导致叶片表面压力和换热分布的差异。在燃烧室-涡轮耦合计算中,基于VLES方法的数值计算预测到燃烧室出口/涡轮进口位置存在明显残余旋流。燃烧室出口速度和温度畸变对下游涡轮叶栅内流动和换热影响显著,加剧了涡轮通道内流动和传热的非稳态特征。表明燃烧室和涡轮耦合对于准确预测和研究涡轮相关的流动和传热特性具有显著影响。