加力式双转子混合排气涡扇发动机全状态数学建模技术

根据部件法建立了加力式双转子混合排气涡扇发动机全包线稳态数学模型.基于该模型,利用容积动力学原理,建立了起动数学模型.将该原理扩展到慢车状态以上,建立了包括起动、加减速、开关加力、停车等完整过程的全状态动态数学模型.以此为基础,给出了加力式双转子混合排气涡扇发动机在飞行包线内的高度特性.根据加力式双转子混合排气涡扇发动机原理,设计了简单的起动调节规律、加减速调节规律、加力调节规律及停车调节规律;计算了海平面标准大气条件下的从起动、加减速、开关加力、停车的完整动态过程.理论分析与仿真结果表明:该建模方法能够正确完成加力式双转子混合排气涡扇发动机的全包线的稳态计算和全状态动态计算,准确反映了该发动机在整个飞行包线内的全部工作过程.      

有限元模型对双转子系统临界转速计算结果的影响

利用ANSYS分别对同一双转子系统建立一维、二维和三维有限元模型.用该软件自带的参数化编程语言(APDL)编制这3种有限元模型的临界转速计算程序,分别求出这3种模型对应的临界转速和主振型.把计算的结果与传递矩阵法求得的结果进行对比,通过对比发现,一维模型与传递矩阵法的计算结果较吻合,二维模型与三维模型的计算结果较吻合.结果表明合理建立有限元模型对计算转子系统的动力学特性具有重要意义.     

涡轮盘腔内流动和传热的数值模拟

将实际涡轮盘腔简化为转子系统, 并用混合长度模型、N-S方程和能量方程模拟了该系统的流场和温度场, 采用SIMPLE法数值计算了自由转盘周围的温度场;封闭转子-静子腔内的流场和温度场;有入流和出流的转子-静子腔内的流场。计算结果与实验值符合较好, 因而为数值模拟涡轮盘腔内的流场和换热打下了基础。      

超声速湍流边界层中横向声速喷流的混合LES/RANS模拟

通过对超声速湍流边界层中横向声速喷流的计算,对一种混合大涡/雷诺平均Navier-Stokes(LES/RANS)模拟方法进行了测试,该方法采用一个依赖于到壁面的距离及当地湍流参数的混合函数结合两方程k-ω SST(shear stress transport)湍流模型和混合尺度亚格子模型来封闭湍流项.计算结果表明:混合模拟方法能够捕捉到喷流/湍流边界层相互干扰的非定常大尺度结构,且对分离区长度、壁面静压峰值和膨胀区静压分布的计算精度要高于RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)方法.      

同轴射流初始段湍流混合过程的数值分析

本文分别应用混合长度模型和两个方程的湍流模型(k-kl模型),对初始截而参数任意分布的不可压缩轴对称同轴射流初始段的湍流混合过程进行了数值分析。数值计算基本上采用S.V.Patankar和D.B.Spalding提出的有限差分方法,但对这个方法作了某些改进。用两种模型得到的计算结果与F.H.Champagne和I.J.Wygnanski的实验结果比较,表明用两种模型算出的平均速度分布均与实验结果符合得较好,但用k-kl模型可得到更合理的浓度分布和与实验结果大体符合的湍能分布。此外,本文的计算表明,应用两个方程的湍流模型并不显著增加计算的复杂性。     

3-D有限元转子模型减缩的旋转子结构法

为了对3-D有限元转子模型进行减缩,利用Guyan减缩法的基本原理,结合转子动力学分析理论,提出了易于实际应用的减缩方法——旋转子结构法并利用ANSYS程序将其实现.利用该方法减缩了某涡扇发动机转子模型21%的自由度数.减缩模型前20阶最大固有频率百分误差为0.43%,除第17阶振型置信因子为0.98外,其余振型置信因子均为1,临界转速计算的最大误差为0.46%.计算结果证明该方法是可行的.      

基于QZ算法的涡轮泵转子临界转速有限元计算

QZ算法求解非对称矩阵广义特征值问题与转子动力学有限元法相结合计算涡轮泵转子临界转速,发展了相应的计算程序FEMQZ。在计算模型中考虑轮盘的陀螺力矩、轴套零件和叶轮浸液的影响。计算分析了某涡轮泵转子在弹性支承下的临界转速。实验结果表明,计算得到的一阶临界转速与实测值吻合,所发展程序能用于涡轮泵转子的动力特性分析。     

某发动机滑油散热系统改进

针对某型飞机发动机地面出现滑油超温的问题,提出了其滑油散热系统的改进方案.采用试验模拟的方法分别研究了引射系统的混合室横截面积、混合室长度、扩压段及引射器喷嘴形式对引射系统性能的影响.结果表明,采用以较小横截面积增加混合室长度、加装扩压段和采用超声速喷嘴的组合改进方案,可以极大地提高引射系统的引射能力,改进后的滑油散热系统经试验和装机验证能够满足发动机的滑油散热要求.      

不对抵称转子临界转速的计算方法

考虑某膨胀涡轮转子具有不对称支承刚性及不对称阻尼等特点,针对转子具体结构形式进行适当简化得到计算模型;采用考虑刚性、阻尼、集中质量耦合的传递矩阵与匀质轴克雷洛夫函数精确解的传递矩阵,同时考虑轮盘不平衡偏心引起的强迫激振、x-y两个方向的振动耦合,计算该转子的临界转速与振型,并分析计算结果;用简单算例对程序进行验证,将简单盘的程序计算结果与试验结果进行比较.     

转子支承动刚度对转子动力特性的影响分析

针对转子支承动刚度对转子动力特性的影响,分别运用静刚度、动刚度和整机有限元模型对某型发动机进行了转子动力特性计算,并对各种计算结果进行了比较和分析;分析了转子支承动刚度剧烈变化的原因,同时,指出运用整机模型能够分析支承动刚度和各种机匣的局部振动对整机振动的影响。     

压气机进气畸变数值模拟技术研究

发展了一种针对进气畸变条件下的风扇/压气机进行性能预估和稳定性分析的计算方法。首先研究了将叶片作用力简化为体积力源项的建模方法,在此基础上开发出一套基于体积力的三维进气畸变数值模拟程序,使用该程序对NASA Rotor 35在均匀进气、进口存在稳态总压畸变及同时存在总压和总温畸变的流场进行了模拟分析。结果表明,该程序获得的压气机特性及参数分布与雷诺平均Navier-Stokes(RANS)计算吻合得很好,同时正确地模拟出了压气机转子与上游畸变来流的耦合作用及其对压气机性能和稳定工作裕度的影响。     

考虑端区黏性和径向掺混的流线曲率通流算法研究

高负荷多级压气机的技术难点之一在于如何快速、完整、准确地获得全工况下叶片前尾缘气动参数分布和整机特性结果,而通流计算凭借速度快、指向性明确的优点,一直是多级压气机设计的核心技术。为了提高通流代码的适用范围和预测精度,推导了统一适用于轴流、斜流、离心压气机的流线曲率方程,引入端区黏性和径向掺混模型,应用Fortran语言针对轴流压气机全新开发了其通流特性计算程序,对NASA Rotor37、Rotor67转叶和GY1-2J压气机进行了计算,计算结果表明:新模型的加入提高了程序的计算精度,初步验证了程序的有效性。并提出提高程序的通用性是今后通流计算的发展方向。     

进气畸变对压气机性能影响的三维彻体力模型

基于三维彻体力模型理论初步发展了一个能有效预测进气畸变下压气机性能的压气机三维稳定性分析模型(CSAC).该模型通过求解带有源项的可压三维Euler方程组,对压气机内部全环三维流场进行模拟.叶片对气流的作用力和做功源项根据压气机三维稳态Navier-Stokes(N-S)解的相关气动参数计算得到,并给出了源项与叶片进口气动参数之间的数据库关联方法.利用该模型计算和分析了NASA Rotor 37在均匀进气下的气动性能,并与三维稳态N-S计算结果对比,验证了该模型的准确性.最后利用该模型模拟了Rotor 37在稳态周向总压畸变下的性能.结果表明:总压畸变不但降低了压气机的气动性能和稳定裕度,而且在压气机转子出口诱发总温畸变,研究表明该模型在消耗较少的计算资源下正确地反映了进气畸变对压气机性能的影响,是目前分析进气畸变对压气机性能影响的有力工具.      

湍流模型对压气机数值模拟精度的影响

开发了一个求解叶轮机全三维黏性流场的程序,采用了目前叶轮机数值模拟中常用的且模拟性能较好的三种湍流模型:k-ε模型,k-ω模型,Spalart-Allmaras(S-A)模型,计算了跨声压气机NASA(National Aeronautics and Space Administration) Rotor 37的流场,并与实验进行了性能参数、三维流场和角区流动的对比分析.考察在相同的数值计算平台上进行比较这几个湍流模型对压气机的数值模拟性能的影响.最终结果表明:对于具有强剪切、存在分离流的复杂的叶轮机三维流场来说,k-ω模型数值模拟精度更高,相比其他两个模型具有一定的优势.      

基于遗传算法与近似模型的全局气动优化方法

开发了基于精英保留策略与小生境技术的求解有约束优化问题的改进遗传算法,并用一多峰值有约束函数对其寻优能力进行了测试。为了降低气动优化设计时间,提出了集成实验设计、三维粘性流场求解程序、二次多项式近似模型、改进遗传算法的具有全局寻优能力的三维气动优化设计体系。采用该方法对NASA Rotor37动叶片叶型进行了以绝热效率最大为目标的优化设计,优化后叶片绝热效率提高1.1%。该结果表明了本优化设计体系省时、高效的特点。     

进气畸变下压气机过失速三维非定常模型探索

针对原压气机稳定性三维分析模型CSAC(compressor stability analysis code)加以改进,添加了轴对称左支特性。采用改进的CSAC+模型分析了NASA Rotor37在周向总压进气畸变下的稳态性能和失速起始特性,并与软件NUMECA模拟结果进行了对比,两者模拟的特性趋势一致,畸变进气下CSAC+近失速点压比与NUMECA的误差为1.05%。针对近失速点流场分析发现:随着流量的减小,在畸变区边缘的转子叶尖首先出现低速甚至逆流区,可认为该区域为失速起始位置。利用CSAC+模拟了该压气机过失速状态下的主要流动特征,分析得出进气畸变下该失速先兆为模态波,完全发展后为部分叶高失速,失速团占据约40%叶高,其传播频率约为转子转动频率的60%,并在传播过程中显示出周期性的剥离和融合过程。      

预处理方法在叶轮机械三维数值模拟中的应用

应用预处理方法求解三维可压缩流动Navier-Stokes方程, 发展了一种适用于叶轮机械的既可以求解跨声速流动也可以求解不可压流动的数值模拟方法, 对NASA Rotor67和北航低速大尺寸压气机算例进行了计算, 计算结果与实验数据相吻合, 表明本文采用的预处理方法具有较大的工程实用性.      

紧凑布局核心机驱动风扇级设计参数影响分析

以某核心机驱动风扇级(Core driven fan stage,简称CDFS)的气动方案为例,使用新版Denton程序通过数值模拟分析了气动布局、预旋分布和转子径向负荷分布对CDFS性能的影响。数值结果表明:利用CDFS静子取代高压压气机进口导叶是一种紧凑高效的CDFS气动布局;CDFS效率所受的影响主要来自转子效率的变化,工作裕度所受的影响主要来自静子负荷的变化;增加CDFS转子叶根的设计压比可以降低CDFS静子叶根的气动负荷,从而使CDFS获得更为均衡的性能。     

跨声速轴流压气机间隙泄漏流触发旋转失速

通过对跨声速轴流压气机NASA转子37进行单通道定常及多通道定常、非定常数值模拟,单通道定常数值模拟结果与实验结果能较好吻合。多通道非定常数值模拟结果显示,间隙泄漏流及其与激波干涉的非定常振荡,触发突尖型旋转失速先兆,具体表现为叶顶前缘间隙泄漏流溢出。失速团首先在叶顶处形成,且速度约为80%转速。随着流量的下降,失速团进一步发展,在失速通道内,激波与叶片前缘完全分离,且在叶片尾缘出现回流。当转子完全数值失速时,失速团周向尺度约为4个通道,且径向占据约半个叶高。     

跨音轴流压气机转子失稳机理研究

以NASA Rotor 37压气机为研究对象,进行了从堵塞点到失稳点的全三维定常数值模拟研究。通过对不同工况下转子叶尖间隙涡的对比分析,揭示了压气机在该转速下的失稳首先是由泄漏涡破裂造成的叶尖通道堵塞,进而扩展到整个叶排形成整机失速,此时叶片吸力面分离造成的堵塞作用还没有达到使压气机失速的程度。