涡轮轴断裂条件下空气系统强瞬变过程分析

建立了针对空气系统强瞬变过程的控制方程及模块化仿真模型,该模型包括构成瞬态空气系统网络的4类基本元件:容腔元件、节点元件、管道元件和节流元件。上述基本元件及其组合单元的仿真结果与公开的文献数据能够较好的吻合,证明该模型能够模拟容积效应、惯性力作用占主导的强瞬变空气系统演化。在此基础上,仿真分析了某型航空发动机高压涡轮(HPT)轴断裂失效条件下的空气系统强瞬变过程。结果表明,涡轮轴的断裂失效能够引起空气系统内部复杂响应过程,并能导致涡轮盘所受的轴向力反向。该瞬态空气系统模型成功模拟了气流参数毫秒时间量级的动态响应,为深入研究航空发动机内部复杂空气系统的瞬变机理提供了有效的技术手段。      

空气系统双腔模型的压力动态特性分析

当发动机突然加速或发生突发失效时,空气系统在短时间内由容腔效应和管道流体惯性所形成的压力波动将对某些空气系统零部件产生负面影响。在经过验证的模块化瞬态空气系统仿真程序的基础上,分析了双腔模型的管道不同部位和容腔的压力变化。重点考虑了关键元件的尺寸对压力变化的影响规律。结果表明,此瞬变过程中出现的压力波动与空气系统的几何结构尺寸密切相关。此模型分析方法可以作为研究整机空气系统瞬变过程的基础。     

腔体闭式流动控制的实验和数值模拟

利用数值模拟和风洞实验相结合的方法,研究了闭式流动腔体的流动特征及其设置圆柱控制杆后腔体内声压级(SPL, Sound Pressure Level)和压力分布的变化.数值模拟求解三维N-S方程,采用AUSM+计算格式,湍流模型采用Wilcox k-ω模型.实验在0.6 m×0.6 m超音速风洞中进行,在腔体底部布置了40个常规静压测量点和15个动态测压点.研究表明,在外流为超音速流时,闭式流动的腔体底部压力变化梯度较大,腔体底部和后缘的测压点的SPL值和频率关系曲线中没有明显的SPL峰值.实施控制后,腔体底部的压力变化梯度减缓,在腔体后缘分离区内的测压点SPL值降低,而前缘分离区内的测压点SPL值增加.      

通气位置对潜射航行体流体动力特性影响分析

基于均质平衡流理论,通过求解混合介质的RANS方程、SST湍流输运方程和各相之间的质量输运方程,开展了通气位置对潜射航行体流体动力特性影响的三维数值模拟研究,对比分析了不同通气位置条件下空泡形态特性、表面压力分布以及阻力变化特性.结果表明:当两个通气口间距增加到一定值后,在两个通气口之间区域空泡发生断裂,在断裂区域迎流面和背流面表面压力值升高,且在空泡断裂闭合位置出现压力峰值;在相同通气量条件下,随着通气口间距的增大,压差阻力系数和粘性阻力系数均呈减小趋势变化.     

轴向通流旋转盘腔内流动不稳定性研究

为了研究旋转腔内流动不稳定性问题,采用旋转坐标系稳态方程,用数值模拟的方法分析了轴向通流旋转盘腔内的流动,得到了旋转系下哥氏力和离心浮升力分别对流动不稳定的作用,以及这两个力的非线性综合作用对流动不稳定的影响.结果表明:哥氏力是恢复力,不影响流动稳定性;离心浮升力是造成流动不稳定的主要因素,盘腔内的流动是离心力场下的Rayleigh-Benard对流和强迫对流的混合流,随着浮升力的增强流动由稳态发展为非稳态;哥氏力与离心浮升力的综合作用加剧了流动不稳定性,盘腔内r-θ面出现了明显的旋向相反的对涡.     

小型涡扇发动机燃油控制规律

以小型涡扇发动机DGEN380燃油控制规律为研究目标,使用解析法基于MATLAB平台建立其整机部件级稳态及动态数学模型并进行仿真计算。在旋转部件建模过程中使用工具获取特性数据,并绘制可以即时显示当前工作点/线的部件特性图;在稳态仿真时使用Newton-Raphson法和遗传算法2种方法求解发动机工作方程组,并对二者进行评估对比,针对遗传算法在发动机模型求解过程中的局限性对一般基础模型进行优化改进;在动态仿真时,采用欧拉法计算微分项。基于模型分析发动机燃油控制规律,并以发动机高度特性为例进行仿真计算。试验结果表明:Newton-Raphson法具有高精度和高速度,改进模型后遗传算法具有更好的适应性,模型及燃油控制规律的仿真结果较好地符合试验数据和理论趋势,对比误差小于3%。      

空间站乘员睡眠区二氧化碳聚集现象

为了分析乘员在没有良好通风的压力舱内停留时,呼出CO₂的聚集过程并评估其可能导致的医学危害,建立了乘员在特定空间站睡眠舱的计算流体动力学模型,对乘员在睡眠区的呼吸过程进行了非稳态模拟.模拟中乘员的CO₂呼出浓度和肺通气量根据生理实验随CO₂吸入浓度变化.通过模拟给出了睡眠区典型位置处CO₂分压随时间的变化规律.最后提出了无通风条件下乘员在睡眠区停留的最大容许时间,睡眠区CO₂浓度监测仪的布置原则和类似情况下为保障乘员生命安全可采取的一些措施.      

空泡摆动对超空泡航行体尾拍影响分析

针对超空泡航行体存在尾拍运动与空泡形态变化互相耦合作用的特点,建立了超空泡航行体尾拍耦合运动方程,并对超空泡摆动对超空泡航行体尾拍相互作用过程进行了数值研究,对比分析了不同速度和角速度的超空泡航行体运动过程及空泡摆动对尾拍的影响规律.研究结果表明:空泡摆动使航行体转角、整体运动周期、尾拍升力和阻力增大;在不同速度下,空泡摆动对航行体转角、整体运动周期及尾拍周期的影响随速度增大而逐渐减小;不同初始角速度下,空泡摆动对航行体转角、整体运动周期、航行体尾拍升力和阻力的影响随角速度增大而逐渐增大.     

随机误差对容腔瞬态换热试验影响分析及抑制

针对容腔瞬态换热试验中测试数据的随机误差被数据处理的差分过程放大的问题,定量分析了随机测试误差对换热特性的影响,并提出抑制方法。结果表明:容腔内壁面对流换热特性误差对瞬态温度随机误差最为敏感,导致换热特性试验结果不确定度高。将改进经验模态分解（EMD）算法应用于数据差分处理过程中可以有效抑制测试随机误差对换热特性的影响。在容腔充气过程中,采用误差抑制方法后,容腔壁面换热特性的最大误差从129.07%降到63.62%,时均误差从25.24%降到8.12%。      

发动机短舱泄压过程瞬态仿真

发动机短舱泄压门的设计会影响到短舱的安全性,泄压是一个动态变化过程,与舱内外压力、外界气流马赫数及泄压门结构有关。基于Modelica语言建立了短舱泄压过程零维瞬态仿真数学模型,并通过计算流体力学（CFD）方法得到不同开启角度下所需泄压门排放质量流量和力矩系数,并将这些系数代入零维瞬态仿真数学模型,得到了短舱泄压过程中舱内压力、泄压门开启角度等关键参数随时间的变化关系,分析了泄压门开启舱内压力阈值及最大开启角度对泄压过程的影响。研究结果显示,降低泄压门开启舱内压力阈值会使泄压过程到达平衡阶段时间减小,但是对平衡阶段舱内压力和往复摆动角度/幅度无影响。适当降低最大开启角度可有效降低泄压平衡阶段往复摆动角度/幅度,而对初始阶段的泄压速率和平衡阶段的短舱内部压力基本无影响,但是随着最大开启角度进一步降低,则会导致泄压速率下降,并使平衡阶段短舱内部压力升高。      

轴向通流旋转盘腔流动换热稳态实验与数值模拟

通过开展稳态实验及数值模拟探究了轴向通流旋转盘腔的流动结构与换热特性。通过改变流量系数、旋转雷诺数等参数,探究不同工况下旋转盘两侧及盘罩内侧壁面温度和努塞尔数的径向分布规律。结果表明:在轮缘加热的状态下,旋转盘两侧温度径向分布均呈凹函数形态,且旋转盘迎风面换热强度普遍高于背风面;后轴颈盘罩向两端旋转盘导热,其壁面温度径向分布呈"中间高、两侧低"的状态;随着轴向流量系数的增大,盘腔内部气体对流加剧,径向臂及涡对结构更加明显,旋转盘及轴颈表面换热效果增强;旋转盘腔内的流动换热特性受强迫对流和类Rayleigh-Benard对流2种机理的共同影响。