航空发动机主燃烧室燃油总管流动换热特性研究

为优化发动机燃油管路设计并预防燃油结焦,对发动机典型工况下燃油总管和分管内部流动进行了数值研究,给出了速度和压力分布情况。对由于热气流的加热作用引起的燃油温升效应进行了传热计算。对总管及分管进行了热防护设计,并比较了不同热防护措施的隔热效果。结果表明:在计算工况下,油管出口质量流量满足设计要求;内外混合隔热方式可有效降低燃油温升,减小燃油过热引起结焦的可能性。提出了改善管内流动与换热特性的措施,例如增加空气隔热层,为恶劣热负荷条件下燃油管路热防护设计提供理论基础。     

小型平板回路热管蒸发器内传热与流动的三维数值模拟

针对小型平板回路热管蒸发器内的流动与传热,建立了多区域耦合的数学物理模型,并应用FLUENT软件进行了三维数值模拟。结果表明:蒸发器传热特性在不同热负荷下呈现出较大的差异,其温度分布不仅取决于热负荷,更依赖于毛细芯表面发生的两种传热机制,即毛细蒸发和热传导。相比高热负荷(Q=120W)和低热负荷(Q=40W),中等热负荷(Q=80W)下蒸发器各个部位的温度均较低。三种不同热负荷下,毛细芯反向导热均大于侧壁漏热,补偿腔内与毛细芯相邻处易出现高温区。冷凝回流液在补偿腔内的流动形成两个涡,这种流动特点有利于降低毛细芯的温度。当热负荷与系统冷凝能力匹配时,整个系统流动与传热特性最优。      

超临界压力下航空煤油RP-3壁面结焦特性对换热的影响

研究了超临界压力下航空煤油(RP-3)在微细管内流动过程中结焦对换热的影响规律.实验中系统压力保持为5MPa,燃油质量流量为3g/s.燃油溶解氧达到饱和,实验段进出口油温分别为127℃和450℃,实验时间为60min,并利用“称质法”获得煤油结焦量.结果表明:由于壁面结焦的差异使得换热特性沿实验段可分为3个区域:进口低温段的传热稳定区、结焦峰值处的传热恶化区和出口高温段的短期强化区.进口低温段结焦量较少,对换热的影响可以忽略;结焦峰值处由于其结焦迅速且量大致使管内传热热阻突增,传热系数下降36.1%故出现传热恶化;高温段出现短期强化是由于结焦微粒附着于管壁,增加了其粗糙度而导致近壁面处流体湍动能增大以及由于近壁面高温区域煤油裂解结焦而产生化学吸 热量,进而强化换热.随着时间的推移,结焦量不断增多,结焦热阻增加的效应抵消并超过以上两种因素的影响,因此又出现传热恶化.      

燃油附件耐火试验温度场数值模拟与验证

为了准确预测耐火试验过程中航空发动机燃油附件的热场分布,提出了1种等效火焰建模方法建立相应的流固耦合传热模型,并对着火条件下试验件的工作特性进行数值模拟,分析了流动传热的机理,得到3维计算域的稳态温度场分布。对该试验件开展着火验证试验,监测了局部温度参数。仿真与试验结果的对比分析表明:仿真所得热场结构分布合理,局部温度值与试验结果吻合较好,该方法能准确地模拟火焰与试验件间的传热特性,可为航空发动机燃油附件的耐火设计提供参考。     

小流量下转静系盘腔传热特性

采用热敏液晶(TLC)瞬态传热实验技术对小流量下的中心进气转静系盘腔传热特性进行研究,介绍了同步触发拍摄系统,考察了流量与转速变化对动盘面传热的影响.结果表明:在所研究工况范围内,流量变化对动盘面中低半径处传热影响较大,对高半径处影响较小;转速升高使动盘面传热效果整体增强;当湍流流动参数较小时,动盘面中高半径区域努塞尔数随半径增大而增大;采用湍流流动参数对动盘面平均努塞尔数进行归纳,实验结果与雷诺相似分析结果的偏差小于15%,一定程度上验证了雷诺相似对转静盘腔传热问题的适用性.      

高热流密度燃烧室壁面阵列空气射流-燃油组合冷却结构研究（爆震专刊）

针对高热流密度燃烧室壁面热防护需求提出了一种空气阵列射流冲击和燃油冷却肋板的集成冷却方式,在射流平均雷诺数(Re_j)为10000至30000、燃油进口流速(v_f)为2.33m/s至5.23m/s的范围内,采用数值模拟方法对其传热特性进行了研究,并基于壁面加热侧当量对流换热系数的概念,分析了基准肋板以及燃油冷却肋板的传热增强作用。与无肋板靶面的阵列射流冲击相比,带肋板阵列射流冲击的面积平均当量对流换热系数是前者的1.6倍,压力损失系数相对提高了约25%;采用燃油冷却肋板,加热壁面综合传热能力进一步增强,在Re_j=10000时,采用燃油冷却肋板的面积平均当量对流换热系数是基准肋板的1.5倍以上,即使在Re_j=30000时,燃油冷却肋板的传热增强比也可以达到1.2;燃油冷却肋板的出口温度相对进口温度的提升在20K~50K范围内,其提升幅度随着射流雷诺数或燃油进口流速的增大而减小。     

通用油箱热模型的建模与仿真

全面考虑各种传热情况,建立了油箱壁面、油箱内气体和燃油的热平衡微分方程组,进而在Flowmaster平台上用C#语言二次开发了通用的油箱仿真模型.对某燃油系统进行了典型飞行剖面内的动态仿真,根据燃油质量、回流燃油质量流量和燃油温度的变化曲线定量分析用燃油作为热沉的冷却能力,确定适当的燃油混合循环质量流量以及燃油散热器的冷却量.结果表明:对于所研究的燃油系统,燃油能够冷却的最大热载荷约为50kW;当热载荷为70kW时,供油箱与前后输油箱的循环质量流量分别为0.3kg/s和0.1kg/s,燃油散热器冷却量为12kW.     

基于热管技术的飞机电作动机构散热特性

针对飞机电作动机构在工作过程中发热严重的情况,开展了相关散热技术研究。利用试验数据拟合出电作动机构产热量的经验关系式,提出基于热管-燃油系统的飞机电作动机构冷却方法,建立描述电作动机构散热系统流动与传热过程的数值模型,并验证了其可靠性。通过数值模拟研究不同因素对散热系统散热性能的影响规律,结果表明:数值模拟与试验误差在14.6%以内;与自然对流散热相比,热管-燃油散热方式可使电作动器温升降低12.61%,对于驱动器,风扇冷却效果优于热管-燃油散热方式;当热管等效导热系数达到7 000 W/(m·K),电作动机构已达到较好的散热状态,继续增大热管等效导热系数对提高散热系统散热性能效果不明显。研究可为电作动机构高效散热系统的设计提供参考。     

基于场协同原理的横排锯齿翅片湍流传热强化机理

通过数值模拟方法分析了横排(TD)锯齿翅片在板翅换热器通道内传热与流动特性.研究了湍流条件下横排锯齿翅片的温度场,速度场以及两场协同性,探索其强化传热机理.在此基础上获得了翅片高度,翅片间距和翅片宽度对传热与流动的影响规律,并给出了横排锯齿翅片的综合传热性能因子.结果表明:横排锯齿翅片通道内流体扰动强烈,形成了周期性纵向涡流;改善了通道内速度与温度梯度场之间的协同作用,强化传热效果,提高了综合传热性能因子.      

航空重油发动机燃油供给系统动力学模型分析

针对航空重油发动机燃油供给系统,建立了包括一维管路流动模型、液力模型、机械模型以及电磁模型在内的完整系统数学模型.该系统模型仿真了在系统机械部件高速运动作用下,燃油供给系统内以波的扰动形式传播的非定常流动,计算得到了系统内的压力波动特性,并最终预测了系统喷油规律.经试验验证,仿真结果与试验数据吻合,该模型具有较好的准确性和较好的应用前景.      

某型飞机燃油系统数值建模方法与仿真分析

基于Flowmaster2软件建立了某型飞机燃油系统的整体仿真模型,并进行了瞬态和稳态分析。在瞬态分析中得到几个压力值较大的节点,在稳态分析中得到个别流速流量均出现较大幅值的元件,并且得到发动机入口流量完全符合设计要求。分析结果均可以对该整体系统较好的进行流体力学行为描述,同时为改进和优化设计燃油系统提供了新思路和方法。     

应用特征线法求解航空发动机瞬态空气系统

用特征线法求解瞬态航空发动机空气系统的连续方程和动量方程,单独迭代求解能量方程.计算了空气系统内流体的压力、质量流量、温度随时间的变化规律.结果表明内部节点的压力、质量流量以相近的趋势随进口压力变化,但有相应的延迟,延迟时间约为0.01s,温度随边界温度变化而变化.将准静态结果与软件Flowmaster的模拟结果对比,吻合很好,压力最大相对误差为0.051%.      

涡轮冲压组合发动机燃油系统温升仿真研究

为了实现涡轮冲压组合发动机(简称组合发动机)燃油系统温升仿真计算,基于Flowmaster软件平台首次建立了组合发动机燃油系统温升仿真计算模型,为提高精度,根据试验数据自定义了航空煤油随温度压力变化的物性模块代替软件内置物性模块,基于此进行仿真计算得到不同工作模态下燃油系统温升情况。计算结果表明:涡轮模态工况下自定义物性模块计算得到的主要节点温升与软件内置物性模块相比总体偏低,且压力变化越大计算结果偏差越大;模态转换期间各子燃油系统流量迅速变化对燃油温度影响十分显著;冲压模态工况下燃油流量为2.68倍主燃烧室燃油流量时,可承受的最大发动机热负荷为400kW,最大飞行马赫数为5。实现了对发动机燃烧室入口燃油温度的预测和评估。     

某无人机爬升过程中燃油温度变化规律仿真研究

采用 RON95# 车用汽油或 100LL 航空汽油为燃料的中空长航时无人机在爬升过程中容易遭遇气阻。利用 Flowmaster 软件搭建某型无人机燃油系统的仿真模型,以实际飞行试验中的环境温度、初始燃油温度、初始燃油量、耗油率等参数作为边界条件,通过仿真得到飞行过程中油箱内燃油温度,并与实际飞行试验数据进行对比,验证仿真模型的可行性;利用该模型定量研究环境温度、燃油油量、耗油率、爬升速度等因素对燃油温度变化规律的影响。结果表明:对于某型无人机燃油系统,在连续爬升过程中燃油温度的变化受初始外界环境温度、爬升速度的影响比较大,而燃油油量、耗油率则对燃油温度变化的影响较小;初始外界环境温度越低、燃油油量越少、耗油率越快、爬升速度越大则燃油温度下降幅度越大。     

单孔容腔瞬态充气换热的理论分析方法

换热对于容腔瞬态响应过程有显著影响，而目前缺乏分析容腔瞬态过程换热的通用方法，导致容腔瞬态响应模拟精度较差。针对这一现状，基于自由射流、冲击射流及外掠平板换热理论，提出了一种模拟非绝热单孔容腔瞬态充气过程换热的理论方法。应用该方法模拟了容腔压力和温度的瞬态响应过程，并与试验数据进行了对比。结果表明：该理论方法的模拟结果与试验数据吻合很好，压力最大相对误差不超过3%，温度最大相对误差不超过1%，验证了理论方法的可行性和准确性。而绝热模型的模拟结果与试验数据相比，压力和温度的最大相对误差分别可达12%和14%，等温模型的压力和温度的最大相对误差分别可达6%和7%，说明理论方法显著提高了容腔瞬态响应模拟精度。同时，理论分析方法不仅具有较强的通用性，还能够极大地降低分析容腔瞬态换热的成本，可以有效支撑空气系统非绝热容腔元件建模。     

飞机燃油系统功能仿真分析

燃油系统在飞机上是一个非常庞大而且复杂的系统。利用流体仿真软件nowmaster构建了飞机燃油系统整体模型,并进行了一系列仿真分析,分别追踪了管路系统在正常情况、某一（些）增压泵失效、一发动机失效时发动机入口流量和压力随时间变化曲线,并与设计流量和压力进行对比分析,发现计算结果满足设计要求,证明这种方法是切实可行的。     

煤油燃料超燃发动机燃烧室温度测量与计算分析

为获得超燃冲压发动机燃烧室流场温度分布特性,深入分析发动机工作特性,对马赫数为2.0,总温为1100K,总压为1.0MPa的来流,利用可调谐的相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）技术完成了直连式燃烧室流场温度测量;同时对实验状态进行了三维并行数值模拟,对比分析了计算和实验结果的差异。结果表明,隔离段温度的实验测量值与计算结果的最大相对误差约为0.8%;在燃烧室核心流区域,当量比为0.6和0.8两个状态下,实验测量值分别比计算值偏低约40K和150K,相对差异为4.2%和13%;在凹槽回流区内,当量比为0.6和0.8时实验值则分别比计算值偏低约140K和170K,相对差异为11.7%和7.5%。主喷油位置喷入当量比为0.2的燃料对燃烧室区域的温度和压力分布会产生较大影响,但对扩张段及后部区域的推力性能不会产生显著的改变。      

基于MATLAB/Simulink的滑油系统建模仿真与优化

为分析滑油系统特性,研究其与航空发动机协同工作及设计问题,基于滑油系统元部件的流量、压力和换热特性在MATLAB/Simulink下开发了通用仿真模块库,构建了包含供油、回油、通风和热力系统的全系统仿真模型.以某型涡扇发动机及其滑油系统为例,计算了高温起飞工况下滑油系统主要工作参数值,并与商业软件Flowmaster对比计算结果,相对误差保持在3.8%以下.利用全系统仿真模型的拓展性,成功与GasTurb发动机模型进行联合仿真,使用遗传算法优化滑油系统设计参数,通过改变供油分配比例使最高回油温度降低4.12%,可为滑油系统的设计及改进提供参考.      

某型发动机润滑供油系统流量仿真分析

为加快某型发动机的研制进度,保证其可靠工作,以现有发动机成熟润滑系统为基础进行润滑系统改进设计.为评估供油系统工作情况,利用英国流体系统仿真软件Flowmaster对供油系统进行部件级和系统级流量仿真分析.重点对系统中调压活门和调压差活门的溢流特性、压力与流量的关系进行仿真分析,得到满足系统循环量要求的调节量,根据仿真结果对系统各处喷嘴和节流嘴尺寸提出改进建议,包括调整前轴承腔8处喷嘴尺寸和附件机匣节流嘴尺寸等.     

基于Flowmaster的压力加油冲击压力仿真研究

研究了基于Flowmaster软件的直升机压力加油冲击压力仿真建模,将仿真结果与试验结果比较,采用地面压力加油泵进行建模,仿真计算冲击压力值远较试验值大;据此,提出采用恒压源代替地面压力加油泵的建模方法,仿真计算冲击压力值与试验值相差10%左右,满足了直升机压力加油冲击压力的工程计算需要。