叶片式涡流发生器对压缩拐角流动分离的控制

采用基于k-ω湍流模型的雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程方法,研究了叶片式涡流发生器（VG）对于马赫数Ma_∞=2.9时24°压缩拐角边界层分离的控制作用。计算结果表明：叶片式涡流发生器诱发的流向涡,是控制拐角处边界层分离的主要因素,流向涡强度越大控制效果越好。流向涡增大了主流与边界层内的动量输运,沿壁面法向速度型更加饱满,并使得压缩拐角处的二维分离转变为三维分离,改变了激波边界层干扰的结构,分离区长度减小了39.68%。相比于相向旋转,同向旋转叶片式涡流发生器改善了分离区内的压力分布,分离区总长度减小量相当,但分离点距转折点处的长度更短,且系统阻力增量更小。对于相向旋转叶片式涡流发生器,后缘高度增大,分离区总长度减小,系统阻力增量先减小后增大;相向旋转叶片间距越大,分离区总长度越小,系统阻力增量越大;同向旋转叶片间距越大,分离区总长度越大,系统阻力增量越小。高度对叶片式涡流发生器诱发的流向涡强度起主要作用,异向与同向叶片间距的影响较小。     

涡流发生器对高负荷扩压叶栅性能影响的机理分析

为探明涡流发生器流动控制技术对高负荷扩压叶栅性能影响及作用机理,根据高负荷扩压叶栅的流动特点,提出了在叶栅入口端壁处加涡流发生器的流动控制方案,通过计算研究了采用涡流发生器前后叶栅气动性能、附面层及主要旋涡结构的变化。研究结果表明:采用涡流发生器后,叶栅正攻角下的气动性能显著提升,总压损失减小,静压升增大,稳定工作最大正攻角从3°增加至5°,其中在3°攻角下总压损失系数下降0.028,静压系数提升0.033;涡流发生器生成的尾涡阻挡端壁附面层由压力面向吸力面的横向迁移,使吸力面/端壁区域聚集的低能流体减少,改善了角区流动;采用涡流发生器后,通道涡、集中脱落涡和壁角涡减弱,角区分离得到抑制。     

高超声速进气道强制转捩流动的大涡模拟

吸气式高超声速飞行器常在进气道边界层内布置粗糙颗粒或涡流发生器强制流动转捩为湍流以确保发动机正常启动。为了清晰认识强制转捩过程,采用隐式大涡模拟方法,对强制转捩问题开展了数值模拟研究。针对钻石形和斜坡形涡流发生器,计算得到涡流发生器诱导的流动结构,显示出强制转捩流动由涡流发生器产生的反向旋转流向涡对主导。扰动沿流向增长和发展,导致流向涡对以偶模式或奇模式失稳,偶模式失稳产生对称形式的涡对破碎,而奇模式失稳则导致非对称（弯曲）形式的涡对破碎。流向涡对破碎后产生一系列发卡涡并最终促使边界层转捩为湍流。最后就计算网格和数值耗散对隐式大涡模拟结果的影响以及计算的收敛性进行了讨论。     

基于端壁涡流发生器的压气机叶栅角区分离控制研究

为研究被动式涡流发生器抑制压气机叶栅横向二次流以控制角区分离的作用,设计了在叶栅内部端壁处加装涡流发生器的控制方案,采用数值模拟的方法,详细分析了叶栅流场特性。结果表明:涡流发生器可以有效地抑制叶栅内部横向二次流,改善角区流动,在最佳控制方案中,总压损失系数下降8.1%;放置于叶栅内部的涡流发生器能阻挡气流的横向流动,其尾部产生的流向涡与横向迁移的端壁附面层相互作用,抑制了通道涡向吸力面的发展,并将主流高能流体卷入角区,增加角区流体动量;涡流发生器的长度和高度都会影响流向涡的强度,流向涡的涡核高度与涡流发生器高度一致,最终的控制效果由涡流发生器的长度和高度共同决定,只有当它们被合理选择,控制方案才能获得最佳控制效果。     

控制大后掠角机翼边界层分离的涡流发生器数值模拟

针对安装在大后掠角机翼上的涡流发生器控制流动分离的问题,采用雷诺平均纳维 斯托克斯 (RANS) 方程以及剪切应力传输 (SST) 湍流模型,通过搭接网格技术,对带有涡流发生器 (VG) 的大后掠角机翼进行数值模拟,分析VG的安装位置对大后掠角机翼边界层分离的控制机理及气动特性影响。研究发现VG的作用仅仅在其周边边界层内部区域,影响范围小,在弦线方向安装VG存在最佳布置位置。VG必须安装在靠近气流将要分离的高能量区域,才能有效的抑制气流分离,达到增升减阻的效果。     

超声速来流下叶片式微型涡流发生器流动控制研究

不同构型的微型涡流发生器对提高进气道/隔离段性能所产生的效果不同.采用数值模拟方法研究来流马赫数为2.0条件下,五种叶片式微型涡流发生器对流场边界层的流动控制特性.结果表明:带有一定前缘高度的叶片式微型涡流发生器可产生更强的流向涡,总压畸变和马赫数畸变较小,流场出流质量更佳,但同时带来较大的总压损失;微型涡流发生器的前缘厚度对流场性能提升无明显帮助,反而会增大总压损失;无前缘高度的微型涡流发生器能在引入较小总压损失的情况下,使隔离段拥有较强的抗反压能力,同时有效增大壁面摩擦系数,提高边界层对抗分离的能力.     

短舱涡流发生器流动控制机理初探

首先回顾了短舱涡流发生器在民机研制中的应用及发展历程,然后结合民用飞机研发实践,借助于CFD工具初步计算并着重分析了短舱涡流发生器的流动控制机理。结果分析表明合理设计的短舱涡流发生器能够产生能量较强的集中涡,在分离敏感的短舱后翼面区域产生下洗流场并为边界层注入能量,降低短舱后气流的当地有效迎角,延缓由于"挂架涡"提前破裂而导致的大面积分离,从而能够改善失速区形态。     

射流涡发生器对激波边界层作用诱导的流体分离控制大涡模拟研究

为了研究射流涡发生器对激波边界层作用所诱导的流动分离控制机理及其流场特性,基于大涡模拟(Large eddy simulation)方法和高阶TCD/WENO混合格式,对来流马赫数Ma=2.5情况下,平板上射流涡发生器对激波与边界层相互作用所诱导流场进行了数值模拟。结果表明,射流涡发生器对激波边界层的流体分离有一定的抑制作用,与无控制情况相比,射流作用下进出口总压恢复系数由85.9%提高到94.6%。射流尾涡主要集中于一环状区域内,在该区域内,入射激波与马蹄涡、桶形激波上方的涡管以及剪切涡相互作用,导致整体尾流被激波往下压缩。同时在激波的压缩下,各涡之间相互缠绕、挤压合并,形成多个流向小涡结构,将边界层外的高速流体卷入边界层内,从而增加边界层底层能量,达到抑制流动分离的目的。     

涡流发生器对轴流压气机叶顶流动不稳定性影响的实验研究

为了探究涡流发生器对轴流压气机叶顶流动不稳定性的影响,在一台低速轴流压气机转子上开展了实验研究。将梯形和半球形两种涡流发生器分别安装在转子叶顶上游机匣上,基于不同的安装角度共制定了五种控制方案。分析了气动性能的变化,并采用频谱分析和统计分析方法考察了壁面脉动压力特性的变化。实验结果表明：采用梯形涡流发生器后,除安装角为90°的方案外,其它方案在各工况下扩压能力均略有下降,失速时的流量也明显减小。在流场存在旋转不稳定性或失速的工况,-45°方案时涡流发生器增加了来流的正预旋,增加了气流动量,同时产生的诱导涡会径向迁移,进而抑制了叶顶区域的旋转不稳定性或旋转失速的强度。     

涡发生器控制平板边界层分离的大涡模拟

为了研究涡发生器(VGs)间距λ对控制边界层分离效果的影响,选取了4种涡发生器间距,λ/H(H为涡发生器高度)分别为5,7,9,11.采用大涡模拟(LES)方法对带逆压梯度的平板边界层分离流动及VGs控制分离流动进行了数值模拟.分析了有无VGs控制时,湍流场中大尺度相干结构及其演化规律,分别从旋涡间距、边界层内流体动能、压差损失等方面考察了VGs间距对控制流动分离效果的影响.研究结果表明当λ/H为5时,VGs间距过小抑制了旋涡的展向发展,λ/H为9,11时,VGs间距过大边界层内流体动能偏低,当间距λ/H为7时流动控制效果更优,此时计算域压差损失最小,相比较无VGs控制时,压差损失降低了30.95%.      

氢氧发动机气液同轴式喷嘴流量特性研究

从实验和理论两个方面对氢氧发动机气液同轴式喷嘴的流量特性进行了研究。通过冷流实验测量了具有不同喷嘴缩进比的气液同轴式喷嘴流量随气液喷注压降的变化规律，考察了喷嘴内气液相互作用对喷嘴流量特性的影响，结果表明，气液相互作用对喷嘴气液流量都有一定影响，并且喷嘴缩进比愈大，影响也愈大。同时还提出了一个简化的气液同轴式喷嘴流量计算模型。理论与实验结果的比较证明了模型的合理性和可用性     

基于PIV技术流动调整器性能试验研究

管内流态畸变对压差式流量计的测量精度有较大影响。在流量计的上游安装流动调整器,可以达到改善甚至消除流态畸变、提高测量精度的目的。为了研究流动调整器的整流效果及性能,选取竖直双弯头(90°布置)和半开阀门(50%开度)两种涡发生器来产生流态畸变,采用PIV测速技术,对管束式流动调整器、AMCA调整器和Zanker流动调整器三种流动调整器的整流效果进行实验研究。研究结果表明,相较于无流动调整器情况,三种流动调整器均能明显起到改善流态畸变的作用。其中管束式流动调整器和AMCA调整器可以有效地消除径向速度波动和漩涡流动,而Zanker流动调整器消除速度不对称分布的能力最强,同时带来的压力损失也最大。     

S弯进气道中自动定位叶片对气流流动影响的研究

对Ｓ弯扩压管道内安置自动定位叶片后的气流流动特性进行了实验研究。结果表明，位于模型进气口处的可转动叶片在气流作用下能有两个自动稳定的位置。如果忽略可转动叶片转动轴的摩擦力矩，当叶片处在这两个自动稳定位置时，气流对叶片的合作用力矩为零。研究结果还进一步表明，自动定位叶片对Ｓ弯进气道出口压力场与速度场起着重要作用。本研究为以后如何采取叶片技术抑制Ｓ弯进气道出口的旋流流动，以及模拟旋流流动提供了重要技术基础。     

发动机进口畸变模拟网机理研究

介绍了模拟网工作机理的数学模型，对有关金属丝网的阻力特性作了较详细的研究。初步模拟试验表明：用该理论设计的模拟网用于简单图谱模拟时，能达到要求的模拟精度；用于某型进气道图谱模拟时，除个别点外，畸变元的模拟误差也在要求的范围内。文中还介绍了模拟网的设计计算和试验调节方法，编写了合理的计算机程序。     

新型畸变流场模拟装置

阐明了发动机进口畸变流场模拟方面技术革新的重要性与迫切性，提出一种新型畸变流场模拟装置，给出了它的设计思想、原理结构、工作特点，试验结果。     

座舱供气喷管计算

利用理论计算方法,对喷管在不同压力下的流量进行计算,得到喷管的流量—阻力特性曲线,并与试验曲线进行对比,验证了理论计算的准确性。该方法可以用来进行环控系统座舱供气喷管设计。     

幂律型凝胶推进剂管路中的流动特性

为研究幂律型凝胶推进剂在管路中的流动特性,对直径4~14 mm,长度0.5~2.0 m的一组直圆管和直径6 mm,弯角20°~90,°弯曲半径比1~5的一组弯管,在1~30 m/s的流速下,用3种模拟液进行了实验和仿真。对收缩角10°~50°,收缩比3~1.5的收缩和扩张管,在流速1~30m/s的范围内,用模拟液进行了仿真。结果表明,其它条件相同时,管长、弯角、流速和收缩比增加,流动损失增加;凝胶推进剂在管路中呈"柱塞"形流动,其特性取决于流速、流变指数和稠度系数;管壁附近的剪切速率最大,表观粘度最小;弯管内侧剪切速率小于外侧剪切速率;收缩型截面中,剪切速率逐步增大,粘度逐步降低;突缩和突扩截面存在低速回流区。     

低雷诺数涡轮叶栅损失的实验与数值模拟

发动机涡轮部件在高空低速飞行条件下工作雷诺数降低,其损失显著增大、效率显著降低。应用实验分析与数值模拟相结合的方法,深入认识高空低雷诺数条件下涡轮流动损失的特征和规律,数值计算是基于Jame son中心差分和Runge Kutta时间推进的N S方程计算的有限体积方法。研究表明,随着雷诺数降低,涡轮叶栅流动损失增大,当雷诺数小于42000之后,涡轮叶栅流动损失呈明显增大的趋势。数值计算结果表明在低雷诺数条件下,涡轮叶栅吸力面后部流动产生了分离,这是流动损失增大的主要原因。数值预测的结果与实验测量结果的趋势吻合得相当好。     

涡轮叶片尾缘扰流柱通道流动换热计算

为了深入研究涡轮叶片尾缘扰流柱区域流动的工程计算方法,用开发的基于流体网络计算的一维工程算法,对工作叶片尾缘扰流柱通道进行了计算,并与实验结果进行了对比。计算结果表明:工程计算得出的弦向出流量分布、压力分布从规律和数值上与实验结果都吻合较好,工程算法能够比较准确地计算出扰流柱通道的流动;扰流柱区的气体流动方向基本为弦向,但也存在着一定的径向流动,所以有必要在流体网络计算中设置表示径向流动的流路。     

固体火箭发动机统一内流流场(一维)的分析方法

本文对固体火箭发动机燃烧室、喷管内的流场进行了统一处理.给出了考虑变截面、有摩擦、加质量、传热、非定常的一维气-固两相流动偏微分方程组.推导出的统一计算方程组可以同时获得发动机燃烧室内孔燃烧流场和喷管流场,即发动机整个内流流场;可用于定常或非定常的纯气相以及气-固两相流流场的计算.通过算例,证明计算与试验结果是十分吻合的.