超高转速离心通风器性能仿真分析

以某型航空发动机的超高转速离心通风器为研究对象,应用欧拉-拉格朗日方法对其内部两相流场进行数值模拟.针对不同转速、入口质量流量进行了数值计算,分析其对超高转速离心通风器压降与分离效率的影响.计算表明:超高转速下,优化旋转空心轴结构可以减小离心通风器压降,提高分离效率.      

航空发动机离心通风器计算

离心通风器性能对减少航空发动机滑油的消耗有着重要的意义。应用欧拉-拉格朗日方法对某型航空发动机离心通风器内部两相流场进行数值模拟。分析油气比、转速和空气流量对离心通风器最小分离直径、分离效率、总压降的影响。结果表明:油气比对离心通风器的影响很小;空气流量的增加会引起总压降的快速升高;随着转速的增大,最小分离直径的变化能达到1～3 mm;转速和空气流量的变化对分离效率的影响均比较明显,转速的增高使分离效率随之增大,而空气流量的增高则会使分离效率先增大后减小。     

蜂窝式轴心通风器油气分离性能计算

为对航空发动机蜂窝式轴心通风器油气分离效率进行研究,建立考虑油气双向耦合的流场计算方法及油滴/壁面相互作用模型,在验证通风阻力及油气分离效率可靠性的基础上,对不同转速、通风流量和环境温度下蜂窝式轴心通风器的油气分离效果进行计算和分析.结果表明:转速的增加会使油气分离效率得到提升,而通风流量和环境温度的增加则导致油气分离效率的降低.蜂窝孔结构的加入对通风阻力影响不大,却对通风器的滑油分离过程起主要作用,计算表明其对滑油分离贡献率在80%以上.      

基于气泡轨迹模型研究动压式油气分离器的分离性能

为了研究航空发动机滑油系统中的关键部件动压式油气分离器的分离性能,采用气泡轨迹模型研究了滑油流量、进口处滑油的切向速度和分离器直径对滑油区内气泡分离效率的影响。结果表明:增大进口处滑油的切向速度能够提高分离性能;当滑油流量在420L/min变化时,筒径为15mm的分离器的分离性能最佳;滑油沿分离器筒体方向的平均轴向速度小于0.35m/s时,分离器的分离效率随滑油流量增大而增大;滑油沿分离器筒体方向的平均轴向速度大于0.35m/s时,分离器的分离效率随滑油流量增大而减小。     

叶型甩油盘雾化特性研究

为提高甩油盘雾化质量,采用试验研究方法,对一种叶型甩油盘三个出口的液雾特性分别进行了研究,并与圆出孔甩油盘进行对比。研究表明,转速增加,液雾SMD (索太尔平均直径)减小,浓度变大;流量增加,液雾浓度变大,圆出孔甩油盘液雾SMD变大,叶型甩油盘液雾SMD变化不规律。甩油盘液雾SMD与浓度整体上呈反比,SMD大的地方浓度小,SMD小的地方浓度大。液雾SMD随径向距离增加先减小后增大,转速大于12kr/min后,SMD最小点距出口径向距离约20mm。相同流量、转速下,圆出孔甩油盘液雾SMD更小,但叶型甩油盘液雾均匀性更好,轴向分布范围更广。在叶型甩油盘出口后开槽可以显著减小液雾SMD,锯齿型出口可以增加液雾浓度及减小低转速下液雾SMD。     

某轴流式血液泵的实验与改进设计

原型血液泵LAP-00的数值模拟及实验结果表明,在设计转速9000r/min下,最大效率点对应的设计点流量为11L/min,远大于临床所需38L/min的流量,致使血液泵在实际应用时效率偏低;而静子区域存在的流动分离与回流,极易造成血流停滞进而引发血栓.改进后的血液泵LAP-23,将设计转速从9000r/min降低至8000r/min,减小了转子叶尖切应力对血细胞的破坏;设计点流量降低至6L/min,并消除了静子区域内的分离和回流.      

基于脉冲数字全息的甩油盘雾化特性

设计搭建离心式甩油盘雾化场测量系统,提出多孔板式抽吸罩防止油雾外溢,仿真计算甩油盘雾化实验器流场,采用脉冲数字全息技术测量了不同转速下甩油盘雾化场雾滴的空间分布,粒径分布及雾化锥角,结果表明:多孔板式抽吸罩抽吸气流径向流速均匀,在甩油盘附近形成的流场速度比雾滴运动速度低一个数量级,对雾化场影响较小;实验甩油盘雾化场雾滴的峰值粒径为20 μm,占比20%~30%,随着转速的升高,雾化粒径索特尔平均直径(SMD)减小,且雾化场沿轴向集中,雾化锥角减小。在同一转速下随着距离喷嘴出口高度的增加,雾化粒径SMD增大,且随着转速的升高,增大的幅度减小。     

主燃级喷嘴和燃油分级后雾化特性实验研究(“两机”专刊)

为优化高温升主燃烧室燃烧性能,对三级旋流主燃烧室开展雾化特性试验研究。预燃级喷嘴采用离心喷嘴压力雾化和气动雾化相结合,主燃级采用预膜式气动雾化。试验采用相位多普勒粒子分析仪对主预燃级喷嘴和燃油分级后的雾化特性进行研究,对比分析了不同头部压降和燃油流量在不同轴向截面和径向位置的液滴粒径分布,并利用高速摄像对不同工况下的喷雾形态进行了记录。试验结果表明：主燃级油雾粒径为50~80μm,气液比达到3.5即可达到良好的雾化水平。随着轴向距离延长,喷雾粒径变大,喷雾浓度变得均匀。燃油分级比增加可降低整体粒径约10μm,且主要影响中心区域,对雾锥外侧粒径影响不大。     

TAPS/MLDI低污染燃烧室油雾特性

采用粒子图像测速仪对一个带多点贫油直接喷射双环预混旋流燃烧室头部的低污染燃烧室油雾场进行了测量,试验研究不同燃油喷射方式时燃油流量变化对油雾特性的影响.结果表明:在试验工况下,粒径40μm左右的油珠数目最多,大于或小于此粒径的油珠数目都较少;单开值班级喷嘴时,随着燃油流量增加,燃油雾化变差;单开主燃级喷嘴时,增加燃油流量使燃油雾化稍有改善.同时打开值班级和主燃级喷嘴,保持油气比不变时,值班级和主燃级燃油量分配比例改变对燃油雾化特性的影响不大.      

旋转对弯扭涡轮叶片前缘气膜冷却的影响

基于热色液晶(TLC)测温技术,开展了转速(攻角)和吹风比对弯扭涡轮叶片前缘区域气膜冷却效率分布影响的实验研究。实验中涡轮转速分别为400 r/min(正攻角)、550 r/min(零攻角)和700 r/min(负攻角),平均吹风比为0.5~1.25。冷却工质采用氮气,对应的射流-主流密度比为1.04。基于涡轮动叶弦长的涡轮出口主流雷诺数为60 800。实验结果表明:转速是决定涡轮叶片前缘气膜冷却效率分布最重要的参数之一。随着转速的增大,滞止线的位置会从压力侧(PS)移动到吸力侧(SS)。当吹风比相同时,面平均气膜冷却效率随转速的增大而逐渐增大;当转速相同时,面平均气膜冷却效率随吹风比的增大而增大。      

中心分级燃烧室慢车工况油雾场特性

为获得中心分级燃烧室慢车工况下主副级油雾场特性，采用粒子图像测速仪（PIV）对单管燃烧室不同头部方案和不同喷嘴燃油比例的油雾场进行试验测量，开发了油雾场图像后处理软件，对油雾场图像进行后处理，获得了中心分级燃烧室油雾场空间分布。慢车工况下油雾场试验结果表明：大粒径油珠在燃烧室富油头部区域呈锥形分布，同时索太尔平均直径（SMD）沿径向呈V型分布，即中间小、两侧大。燃烧室头部折流板扩张角的减小，使得燃烧室富油头部区域油珠数目集中、同时平均SMD较大。保持来流条件和油气比一定时，改变燃油比例对燃烧室雾化效果影响不大。油雾场中油珠数目最多的粒径是25μm，而体积占比最大的粒径范围是30～50μm。     

Numerical study on combustion efficiency of aluminum particles in solid rocket motor

The combustion of aluminum particles in solid rocket motor plays an important role in energy release of propellants. However, due to the limited residence time, aluminum particles may not be burned completely, thus hindering the improvement of specific impulse. This study aims to explore the characteristics of aluminum combustion efficiency and its influencing factors by experiments and numerical simulations, providing a guideline for engine performance improvement. As an input of simulation, the initial agglomerate size was measured by a high pressure system. Meanwhile, the size distribution of the particles in plume was measured by ground firing test to validate the numerical model. Then, a two-phase flow model coupling combustion of micro aluminum particle was developed, by which the detailed effects of particle size, detaching position and nozzle convergent section structure on aluminum combustion efficiency were explored. The results suggest that the average combustion temperature in the chamber drops with increasing initial particle size, while the maximum temperature increases slightly. In the tested motors, the aluminum particle burns completely as its diameter is smaller than 50 μm, and beyond 50 μm the combustion efficiency decreases obviously with the increase of initial size. As the diameter approaches to 75 μm, the combustion efficiency becomes more sensitive to particle size. The combustion efficiency of aluminum particle escaping from end-burning surfaces is significantly higher than that from internal burning surface, where the particle combustion efficiency decreases during approaching the convergent section. Furthermore, the combustion efficiency decreases slightly with increasing nozzle convergent section angle. And theoretically it is feasible to improve combustion efficiency of aluminum particles by designing the convergent profile of nozzle.     

气-粒两相流对燃气舵工作性能的影响

为了研究气-粒两相流对固体火箭发动机燃气舵的影响,基于固体火箭发动机燃气舵的工作特点,在求解二维Navier-Stokes(N-S)方程的基础上,分别对有无颗粒相的流场进行了数值模拟,并且考虑了颗粒直径为1,10μm和30μm,颗粒质量分数为15%,20%和30%,舵偏角为0°,5°,10°及15°的各种组合工况.结果表明,在相同外界条件下,有颗粒相时舵表面的压力要大于无颗粒相时的表面压力,而且这种差别在迎风面和舵片前半部分表现得比较明显;在气动性能方面,有颗粒相时升力和阻力都要比无颗粒相时大,这种差别随颗粒直径的增大而减小,在一定颗粒质量分数范围内,随颗粒质量分数的增加而增大.      

中心分级燃烧室预燃级的喷雾特性研究

为研究典型中心分级燃烧室预燃级的冷态喷雾特性,进行了实验研究。应用相位多普勒粒子分析仪(PDA)测量液滴的直径和速度,应用片光照相得到喷雾照片。实验结果表明:由于受到套筒结构的限制,预燃级喷雾锥角较小,一般在50°～70°,随着燃油流量和空气压降的增加,喷雾锥角增大,燃油分布范围更广,液滴数量增加,直径随之变小。预燃级的中心回流区宽度仅为20mm左右,一直延伸进套筒内,最大回流速度约为10m/s。燃油流量的改变对流场的影响十分微弱,而空气压降的增加能够明显增加流场速度和回流强度,但是工况参数的改变并不会改变回流区位置和流场结构。燃油流量的减小和空气压降的增加都会使雾化索太尔平均直径(SMD)减小,但相比之下,空气压降对雾化水平的影响更大。在各头部空气压降下,雾化SMD随着气液比(ALR)的增加而减小,但随着ALR的继续增加,平均SMD变化曲线变平缓。     

固体火箭发动机喷管喉部凝相颗粒粒度分布实验

设计了一种新的收集固体火箭发动机喷管凝相颗粒的实验装置,针对典型的HTPB复合推进剂,开展了喷管喉部凝相颗粒的收集实验和粒度分析,研究了燃烧室压强和收敛角度对喷管喉部颗粒粒度分布的影响规律。研究结果表明,喷管喉部的凝相颗粒在0.27～50μm之间都有颗粒存在,凝相颗粒主要集中在0.3～15μm之间,粒径大于15μm的颗粒较少;燃烧室压强对颗粒粒径有较大影响,随着燃烧室压强的升高,凝相颗粒粒径变小,粒度分布更为集中;燃烧室压强相同的条件下,收敛角度对喷管喉部的凝相颗粒粒度分布影响较小。     

不同轴向偏转角处理机匣实验与机理分析

为了探索不同轴向偏转角处理机匣对压气机稳定裕度的影响,以一个亚声压气机为平台通过实验与数值仿真方法探索了8130r/min设计转速下3种与轴向成不同角度的处理机匣对该压气机稳定性的作用.详细的分析了各流量工况下不同处理机匣叶顶的流动结构、叶顶载荷分布、处理机匣缝(或槽)内的流动、周向平均后叶顶的损失分布和缝内喷射气流的轴向动量.研究发现:随着缝(或槽)与轴向所成夹角的增大,整个流量范围内,处理机匣的扩稳能力先增强后减弱;大流量工况下,转子叶顶载荷增加,转子的等熵效率降低.      

针栓式喷注器雾化特性试验

采用高速摄影和马尔文测粒系统对针栓式喷注器雾化特性进行研究,得到了索太尔平均直径（SMD）、粒径分布均匀度指数和雾化锥角随针栓式喷注器结构参数的变化趋势。结果表明:SMD沿喷注轴向均匀不变,沿径向增加;随着气液流量比的增大SMD减小,而粒径分布均匀度指数先降低而后有所回升;粒径分布均匀度指数与狭缝宽度的乘积近似为常值0.35;当气液流量比大于0.206时,由于气动力的作用,雾化边界可分为两段,上面段为收缩段,下面段为等直径段;在针栓式喷注器设计时,狭缝宽度取值越小越好,而液膜半锥角应当考虑SMD和雾化锥角折中选取。      

一种离心甩油盘雾化性能的试验

在离心甩油盘性能试验器上对一种离心甩油盘雾化性能进行了较详细的试验研究,用相位多普勒粒子分析仪(PDPA)测量了不同转速下甩油盘的燃油雾化粒度索太尔平均直径(SMD)、雾化锥角等性能参数.试验结果表明:在试验转速范围内,随甩油盘转速增大,甩油盘雾化锥角α逐渐减少; 随甩油盘转速增大,雾化粒度SMD值逐渐减少,当甩油盘转速大于25000r/min时,燃油的SMD值基本保持不变; 在同一甩油盘转速下,燃油的SMD值随离甩油盘喷油孔距离的增大而增大.      

航空发动机尾喷管固体颗粒流动特性研究

为了通过发动机尾喷管内固体颗粒的荷电水平来判断发动机的故障程度,对发动机尾喷管内固体颗粒的流动特性进行研究。选取某型发动机尾喷管为研究对象,利用ICEM软件进行建模与网格划分,通过Fluent模拟仿真分析颗粒直径和初始速度对颗粒分布的影响,探讨固相颗粒产生绳流、均匀弥散流、环流及层流等流型的条件。研究表明:局部注入的颗粒分布为绳流;对于面均匀注入方式,随着固体颗粒直径增大,其分布由均匀弥散流逐渐变为环流;随着颗粒直径和速度的增加,颗粒与尾喷管壁面碰撞加剧,部分区域出现层流;当颗粒直径和速度达到一定程度时,颗粒的分布规律保持稳定。     

双转子轴间滑油颗粒运动轨迹参数化模型

为研究双转子轴间滑油颗粒运动对环下润滑收油效率及轴承腔油气分离效率的影响,建立了对转轴间在边界层流场结构下基于质点运动学的滑油颗粒运动轨迹参数化模型,并采用经实验验证的计算流体力学（CFD）数值计算结果进行验证。双转子轴间的边界层流场结构的确定运用了对湍流边界层卡门三层结构速度分布进行修正的方法。结果表明：给出的参数化模型可以很好地描述双转子轴间的滑油颗粒运动规律。直径较大的颗粒径直或沿弧线迅速到达外轴,而直径较小的颗粒中存在一个在给定停留时间内使颗粒无法到达外轴的最大直径,小于这一临界直径的颗粒在有轴向气流时将被吹离轴间环腔。