脉冲进气条件下可变喷嘴涡轮性能影响因素分析

为了改善涡轮和发动机的匹配,采用计算流体动力学(CFD)方法研究了脉冲进气条件下脉冲频率、脉冲振幅、喷嘴角度以及涡轮转速对可变喷嘴涡轮非定常性能的影响.研究结果表明:脉冲频率为80Hz时涡轮瞬态最低流量比40Hz时提高了10.4%,瞬态最低效率增加了4.7%,效率滞后现象更加明显;低脉冲振幅为25kPa时涡轮通流能力和效率迅速恢复,并且指出在低脉冲振幅时采用稳态设计是可行的;喷嘴角度为32°时,涡轮脉冲进气与稳态进气两种情况下的流量差异比喷嘴角度为10°时增加了3.3%,效率差异则增加了6.6%.涡轮内部脉动强烈,涡轮通流能力和效率下降明显;涡轮转速为47256r/min时脉冲进气造成的流量和效率变化分别比30000r/min时相应值高了2.9%和0.8%,高转速时涡轮内部流场易受到进口条件影响,涡轮流量、效率以及攻角与稳态情况偏离大.      

微型飞行器的仿生流体力学——昆虫前飞时的气动力和能耗

 用数值模拟方法研究了昆虫前飞时的气动力和需用功率。由N S方程的数值解提供速度场和压力场,从而得到涡量、气动力和力矩 (惯性力矩用解析方法计算 )。基于流场结构,解释了非定常气动力产生的原因;基于气动力和力矩,得到需用功率。悬停飞行中揭示出的 3个非定常高升力机制 (不失速机制,拍动初期的快速加速运动,拍动后期的快速上仰运动 )在前飞时仍然适用 (即使在快速前飞时,V∞ =2～ 2.5m/s,失速涡也不脱落 )。在低速飞行时 (V∞ ≈ 0.5m/s)平衡重量的升力既来自于翅膀的下拍运动也来自于上挥运动,并主要由翅膀的升力贡献;克服身体阻力的推力主要来自于翅膀的上挥运动,由翅膀的阻力贡献。在中等速度下 (V∞ ≈ 1.0m/s),升力主要来自于下拍运动,其中一半由翅膀升力贡献,一半由翅膀阻力贡献;推力主要来自上挥运动,也是一半由翅膀升力贡献,一半由翅膀阻力贡献。在快速飞行时 (V∞ ≈ 2.0m/s),升力主要来自于下拍运动,主要由翅膀阻力贡献;推力来自上挥运动,主要由翅膀升力贡献。悬停时,下拍和上挥做功同样大;前飞时,下拍做功较上挥大得多 :V∞ =0.5,1.0和 2.0m/s时,下拍做的功分别是上挥的 1.6,2.6和 3.5倍。     

涡环伞降末敏子弹的稳态扫描动力学特性

综合采取理论建模、高空自由落体试验及可视化仿真相结合的方法,研究了一种涡环伞降末敏子弹的稳态扫描动力学特性。基于第一类拉格朗日方程,建立了由弹体、降落伞、伞盘、摩擦盘、连杆所组成的五刚体动力学模型,并应用ADAMS、MATALB及VR相结合的方法进行了弹道计算和可视化仿真研究。通过在高空热气球上投放试验样弹的方法,得到了伞弹系统的运动图像、平均落速、转速等弹道数据。对比研究得出:涡环伞的运动稳定性良好,可使末敏子弹保持匀速旋转降落状态,弹体达到稳定后的落速约为13.5 m/s,转速约为3 r/s,稳态扫描角接近于弹体的静态悬挂角,仿真计算与试验结果的一致性较好。      

双级旋流器偏心对出口流场影响

采用试验研究方法,以同一旋流器搭配不同尺寸出口限制域为对象,研究了双级旋流器偏心后,出口流场的变化规律。研究表明:当限制域边界尺寸(L)与旋流器特征尺寸(D)比值小于某个特定值时(L/D=33),旋流器出口射流与壁面存在附着点,出口流场由收缩型变为扩张型;对收缩型流场,旋流器偏心对出口流场影响较大,尤其是径向速度场分布,由无偏心时的负值(小于-4 m/s)增大至正值(大于1 m/s);对扩张型出口流场,旋流器偏心几乎不影响出口轴向、径向速度的分布及大小,如中心线的轴线速度最小值均在-44 m/s附近,径向速度最小值均-1 m/s;进行旋流器设计时,通过减小出口限制域与旋流器特征尺寸比值的方式,使出口流场呈扩张型,可有效抑制旋流器偏心对出口流场的影响。     

厘米级向心涡轮的三维流动特征分析

为详细研究厘米级向心涡轮的内部流动规律,在向心涡轮级的三维粘性计算中引入掺混面的概念,对一台叶轮直径35mm的向心涡轮三维流场进行了数值模拟,得到多个转速下的特性曲线。与试验结果进行的对比表明计算结果准确可靠。预测了在设计转速下的向心涡轮特性曲线,得到这台向心涡轮设计点流量为0 11kg/s,落压比1 93,总压绝热效率0 82,并对向心涡轮设计点附近的流动特征进行了详细的分析。     

离心压气机流动控制机匣新型处理方式研究

为了提高某带小叶片离心压气机的稳定裕度,采用了新型的机匣处理方式,对机匣处理前后的压气机流场进行了数值模拟分析。计算结果表明:(1)在机匣处理后,离心压气机稳定特性得到一定的改善,失速点向小流量方向拓展,压气机流量裕度在100%设计转速下提高了3.5%,在90%设计转速下提高了2.5%;(2)在机匣处理后,相同流量下的压气机压比特性和效率特性都有一定程度的损失,流量在100%设计转速下小于2.15kg/s,在90%设计转速下小于2.00kg/s时,最大效率分别下降了约1.7%和约2.5%。     

某型涡桨发动机的结构改进

某型涡桨发动机自改型设计以来,作了多项重大结构改进,进行了性能和强度试验。在此基础上进行了多台次长期试车适航性试飞和在航线上的领先使用。现将主要的结构改进简要介绍如下。 一、增加Ⅱ速调节装置 该发动机属等转速调节。提高发动机工作转速是,保持涡轮进口温度不变时,提高起飞功率以满足飞机能在高温、高原条件下满载起飞的简便有效的方法。为此,在原调速器上增加了简单的附设机构(Ⅱ速调节装置)。在常温、平原地区用Ⅰ速工作;在高温、高原条件下采用Ⅱ速起飞和爬高,巡航时改用Ⅰ速工作。      

非预混喷注对旋转爆震发动机影响的数值研究

为了研究真实情况下非预混喷注对旋转爆震发动机工作过程的影响,采用氢氧7组分8步化学反应的基元反应模型,忽略黏性、热传导和扩散等输运效应。对真实情况下燃料(H₂)和氧化剂(Air)分开喷注的旋转爆轰发动机进行三维数值模拟,深入分析了非预混条件下的旋转爆震波流场结构,探讨了燃料喷注方式对发动机性能的影响。计算结果表明:本文方法可有效模拟燃料与氧化剂非预混喷注的旋转爆震波流场。在给定的计算条件下,不同喷注方式发动机的爆震波平均传播速度大约为1640~1840 m/s;平均推力为90~100 N;基于混合物的比冲为820~900 m/s。随着燃料喷注位置的前移,发动机性能明显提高;燃料喷注角度对发动机性能影响较小,随着喷注角度的减小,发动机性能逐渐提高,提高幅度较小;燃料双侧喷注的性能明显优于单侧喷注。旋转爆震发动机的性能与燃料/氧化剂的冷流掺混效果成正比。     

固体燃料ATR涡轮/压气机匹配方法研究

为了获得固体燃料空气涡轮火箭发动机(SP-ATR)中涡轮和压气机的匹配工作特性,建立了涡轮和压气机的工作特性模型,根据SP-ATR转速、功率和背压平衡的工作特点,分别基于涡轮和压气机的工作环境先后采用两种不同的方法完成了二者的匹配。对比两种匹配方法得出结论:(1)基于涡轮的匹配方法与转速稳定过程一致,可确定特定飞行环境中发动机的转速;(2)基于压气机的匹配方法需要条件更少、适用范围更广,可用于特定转速调控方案下驱涡燃气流量的确定。两种匹配方法的计算结果相对Ax STREAM仿真结果的最大误差为10.75%,两种匹配方法的计算结果相差不超过8%。将建立的匹配方法应用于HARM弹自主爬升飞行过程,得到SP-ATR驱涡燃气流量的定量调控规律。     

涡轮试验准则数对流场相似性的影响

基于某高压涡轮模型,以各叶片排出口的气流角和马赫数径向分布为流场相似的评价标准,通过数值模拟的方法分析对比了几种常用的涡轮试验准则数对流场相似的影响,为涡轮试验提供参考。结果表明:未考虑比热比和考虑比热比的物理转速值相差15%以内,且流场差异很小;进口温度为450K时,保证比热比、折合转速、膨胀比相等可以很好地保证流场相似,而保证折合转速、膨胀比相等和保证折合转速、折合功率相等时,2级动叶出口马赫数与设计点差异最大,平均相对差异接近6%;温度越高,流场的相似性越好,且保证折合转速 折合功率要优于保证折合转速 膨胀比的方法;若无法保证比热比,进口温度至少需要800K才能使各叶片排马赫数相似差异在2.5%以内。      

煤油两相连续旋转爆震燃烧室工作特性试验研究

为了深入分析煤油燃料两相连续旋转爆震燃烧室的工作特性,采用富氧空气或氧气为氧化剂,通过试验得到爆震波的时域、频域特征,对两相连续旋转爆震燃烧室中爆震波的起爆过程和稳定后的传播过程进行研究。利用基于激光散射相位多普勒分析(PDA)技术对雾化流场进行了测量,得到喷注器出口不同平面处煤油液滴速度与直径的统计分布。试验结果表明当煤油流量为78g/s,氧气流量为224.0g/s,空气流量为72.5g/s,当量比为1.083时,燃烧室在单波模态下工作,爆震波传播频率为0.904k Hz,平均转速为649m/s。使用氧气作为氧化剂,当煤油流量为81.8g/s,氧气流量为231.8g/s,当量比为1.222时,燃烧室在双波模态下工作,爆震波传播频率为5.882k Hz,平均转速为1848m/s,传播过程中表现出很强的非定常性。在当量比为0.805~0.908的富氧工况下,随着氧化剂中含氧量的增加,爆震波的速度逐步增大,最终达到2440m/s;在当量比为1.057~1.220的富燃工况下,随含氧量的增加爆震波速度呈现线性增长的特征。     

涡轮泵启动过程振动故障检测方法

为了更全面地保证液体火箭发动机涡轮泵的安全,提出了一种针对其启动过程的振动故障检测方法,首先对等时间隔采集的振动数据进行重采样,获得等角间隔的振动数据,消除转速变化对振动特征的影响,选择并计算振动特征值,最后采用支持向量回归方法建立振动特征与转速的非线性关系模型.当新的测试数据偏离模型一定限度时,表明涡轮泵工作异常.2.2 s试车数据的检测时间只有0.0470 s,说明模型可用于涡轮泵启动过程故障检测.      

基于直升机/涡轴发动机综合仿真平台的发动机非线性模型预测控制

 基于具有可靠置信度的直升机/涡轴发动机综合仿真平台,研究了涡轴发动机带约束优化的非线性模型预测控制(NMPC)技术。首先通过设计多输出迭代约简最小二乘支持向量回归机(RRLSSVR),训练具有较好实时性、精度及泛化能力的内嵌式预测模型,在高度0~5 km、前飞速度0~75 m/s范围内模型精度达5‰。其次,考虑了扭矩、燃油流量、动力涡轮转速、燃气涡轮转速等综合信息及相关约束对控制效果的影响,利用在线序列二次规划(SQP)算法实现滚动优化控制,而后加入目标转速偏差的积分项以消除静差,保证输出恒定。最后,通过对直升机进行机动飞行大扰动仿真验证了该预测控制器对扰动的抑制能力,相比传统串级PID控制,能够显著降低动力涡轮转速下垂/超调量,达到更好的控制品质。     

航空涡轮发动机燃烧室内流场的PIV测量

设计了一种基于旋风分离原理的高压粒子发生器,并成功应用于高压状态下的航空涡轮发动机燃烧室内流场的PIV（粒子图像测速法）测量.在氢氧燃烧加热来流温度为813K、燃烧室压力为2.78MPa条件下,应用PIV技术开展了航空涡轮发动机单头部燃烧室复杂内流场测量研究,实现了高温高压条件下强旋流、强扰流、宽速域流场的PIV测量,获得了接近燃烧室工作压力工况下的流场速度和流场精细结构.结果表明:该型燃烧室内流场存在多处旋涡结构,形成回流区;流场旋流作用强,横截面流场存在顺时针大涡;主燃孔射流和掺混孔射流作用明显,射流穿透深度较大,对流场结构影响显著;高温高压状态下,流场结构与常温中压状态类似.      

简化微小液滴在超声速气流横向喷射中的运动探索

从研究超声速气流中简化液滴(刚性小球)的气动力着手,比较分析使用CFD方法与使用两相流理论中已有的颗粒阻力系数模型得到的简化液滴气动力结果,得出Charles B.Henderson给出的阻力系数经验关系式适用于计算简化液滴在超声速气流中的运动。进一步,对不同直径简化液滴的运动开展工程方法的计算。在来流Ma=2.7的二维平板超声速流场中选取一个截面,作为气相流场,结果显示:(1)简化液滴与主气流存在相对超声速运动,当简化液滴直径dk≤0.12mm时,纵向相对超声速运动区域约为0.15m~0.4m,当dk0.12mm时,作用区域明显增大;(2)以10m/s喷射出的简化液滴,其横向穿透深度与纵向运动距离比约为0.004m/1m~0.021m/1m;(3)以100m/s的速度喷射出的30~120μm直径简化液滴,其横向穿透深度与纵向运动距离比约为0.02m/1m~0.055m/1m,实际过程中,小尺寸简化液滴的汽化很快,其穿透深度很小。     

航空发动机整机性能仿真中的功率平衡方法

提出了一种在CFD三维整机仿真中实现功率平衡的计算方法。推导确定了决定平衡关系的关键变量:涡轮前温度与物理转速。提出了基于稳态流场和功率经验关系实现功率平衡的数值迭代方法。本文将该迭代方法与CFD三维求解耦合,发展了一种可用于三维整机CFD耦合仿真的功率平衡计算方法。采用该功率平衡计算方法对MTJ-80涡喷发动机开展了三维整机CFD数值计算,实现了整机性能三维仿真与控制规律的耦合和预测。在控制燃油量不变的条件下,通过转速迭代可以实现压气机和涡轮的功率差小于0.1%,可以预测固定燃油供给量条件下所能达到的稳态运转转速。在控制转速不变的条件下,通过调节燃油量实现压气机和涡轮的功率差小于0.15%,可以预测固定转速条件下的燃油流量。数据验证结果表明:该功率平很给计算方法可以与CFD三维整机计算耦合,并且具有很强的收敛性,解决了以往整机三维性能仿真过程中的功率不平衡问题。      

纳秒脉冲等离子体气动激励数值仿真

从纳秒脉冲等离子体气动激励对流场的作用机理出发,将其对流场的作用等效为热源对流场的快速加热,建立了纳秒脉冲等离子体气动激励的空气动力学模型.应用模型计算了单次纳秒脉冲等离子体气动激励下静止流场的响应,计算结果表明:纳秒脉冲等离子体气动激励可在静止流场中形成一个高温升压升区(716K,225.95kPa)和一个低温升压升区(380K,131.7kPa),分别可诱导一强一弱两道压缩波,压缩波后各有一道稀疏波.压缩波与稀疏波同速向外传播,传播速度开始较大(大于400m/s),随着逐渐向外传播,其传播速度逐渐减小(357m/s).压缩波经过的区域可诱导局部速度,初期诱导的局部速度较大,在激励器切向和法向可诱导60m/s以上的局部速度,随着压缩波的衰减,诱导局部速度的能力减弱,最大可诱导10m/s左右的局部速度.      

超临界二氧化碳涡轮发电机振动试验

搭建20 kW超临界二氧化碳涡轮发电试验系统,开展涡轮发电机轴系临界转速数值仿真研究,对比分析空心轴与实心轴的前4阶临界转速与振型,并计算涡轮的前4阶模态频率。开展转速与负载对轴系振动特性影响的试验研究,采用频谱图分析转速0~48 000 r/min、负载0~20 kW下涡轮端与自由端壳体加速度振动响应。计算与试验结果表明:文中空心转子的临界转速高于实心转子的临界转速,有涡轮转子的临界转速低于无涡轮转子的临界转速。随着负荷从0 kW增加到15 kW,转子工频振动逐渐减小,但出现幅值较低的倍频振动;在转速区域11 000~40 000 r/min,不同功率下驱动端的振动响应低于自由端的振动响应,在转速48 000 r/min时,不同功率下驱动端的振动响应均高于自由端的振动响应。      

平流层飞艇动力推进系统的分析与设计

针对平流层飞艇螺旋桨与直流无刷(DC)电动机匹配问题,建立了直流无刷电动机模型和螺旋桨模型;结合匹配设计和直流无刷电动机转速控制,在Simulink中设计了螺旋桨与直流无刷电动机控制系统仿真模型,研究飞艇在0~10m/s巡航速度下动力推进系统控制响应问题;采用图形用户界面(GUI)编写螺旋桨与直流无刷电动机匹配界面,开发了一种螺旋桨与直流无刷电动机匹配软件;得到了飞艇在0~10m/s巡航速度下,螺旋桨工作转速为535~1071r/min,动力推进系统工作效率为0.558~0.593时推进系统匹配设计的工作曲线,为高空螺旋桨与电动机的匹配设计提供了参考依据.      

基于ADINA的轿车外部流场计算

对汽车外部流场进行计算流体力学(CFD)分析已成为现今车身设计的必要环节。计算轿车的外部流场,将计算流体力学软件ADINA与CATIA相结合,利用CATIA软件获得轿车三维模型,将其导入ADINA软件中,采用RNG K-ε模型,对两种不同车速40m/s和20m/s情形进行计算机仿真和后期处理,获得轿车外部流场的压力分布、流速分布云图、空气阻力和空气升力,进而得到该轿车模型的空气阻力系数为0.59,20m/s和40m/s速度载荷下的空气升力系数分别为0.013和0.133,依此为汽车车身设计提供依据。