端柱面组合密封气膜稳态特性数值仿真分析

针对航空发动机等高速流体机械中流体动密封部位的工况特点,提出一种新型的端柱面组合气膜密封形式.根据气膜密封的结构特点,建立了端柱面螺旋槽组合式密封气膜的数学分析模型.采用CFD分析软件Fluent对气膜三维流场模型以湍流流动形式进行数值模拟计算.研究了密封气膜几何结构参数变化对密封稳态特性（端面承载力F_d 、柱面承载力F_c 、泄漏量Q、摩擦转矩M）的影响.几何结构参数包括端面平均膜厚、端面槽深比、柱面平均膜厚、柱面偏心率、柱面槽深比、柱面槽宽比.      

旋转状态气膜冷却的大涡模拟

用大涡模拟的方法考察了静止和旋转状态下有直径4mm,35°流向倾斜圆柱孔的平板上气膜冷却的流动和换热,将静止状态预测的速度型与实验数据进行对比验证了计算结果的合理性.在固定吹风比为0.5、冷气进口雷诺数为2 588的情况下,静止和旋转状态的涡量分布出现明显差异,且旋转状态射流与主流相互作用的剪切层沿展向偏离气膜孔的几何中心线,使得原有对转涡对不再关于孔中心线对称分布,漩涡识别技术也发现典型的涡结构受旋转影响发生形态和运动规律的改变,进而影响湍流结构对主流和冷气掺混的作用.     

曲率对旋转态气膜冷却效率影响的数值模拟

通过对旋转状态下曲率叶片模型上气膜冷却现象的流动和换热进行数值模拟,得到了不同主流雷诺数、吹风比和旋转数情况下吸力面和压力面上的冷却效率分布.计算选用κ-ω和SST(Shear-Stress Transport)湍流模型,主流雷诺数Re=3 198.4~6 716.6,吹风比M=0.2~1.2,旋转数Rt=0~0.015 9.结果表明:旋转数的增大导致气膜孔下游中心区域的冷却效率下降,但使压力面整场的冷却效果略有提高;吹风比的增大使得吸力面和压力面上的冷却效率逐渐降低,主流雷诺数的变化对壁面整体冷却效果则影响不大.此外,相同工况下吸力面上的冷却效率要高于压力面上的对应值.     

气膜密封阻尼结构的气膜稳态特性分析

针对航空发动机等高速旋转机械的气体动密封和转子系统的振动问题,提出一种新型的带金属橡胶弹性外环的气膜密封阻尼结构,其作用是在转静子之间建立气膜用于阻尼和封严,高弹性阻尼材料的外环用于控制气膜的动力特征.基于准静态法建立转子-气膜-金属橡胶外环三者之间的流固耦合关系,采用有限差分法求解气膜压力场,得到表征气膜密封阻尼结构稳态特性的气膜力、泄漏量和摩擦转矩随参数变化的规律.计算结果表明:弹性外环能有效地改善气膜压力场的分布.具有良好稳态性能的结构参数选取范围应结合实际工况确定.在给定的工况条件下,长径比取1.5,密封间隙取0.05mm,柔性系数在2左右为佳.      

反转轴间气膜密封动特性分析

用有限元法计算了双端面期末密封两端面的气膜刚度和阻尼,分析了密封跑道质量和主密封环质量对气膜刚度和阻尼的影响,并对瞬态扰动力作用下前密封跑道和主密封环的振动过程进行了讨论.结果表明:膜厚对气膜刚度和阻尼影响较大,在膜厚小于5μm下尤为明显;系统的自由振动频率主要由前密封跑道质量决定,主密封环质量对自由振动频率影响较小;同一密封跑道质量对应的不同环道质量比对系统振动的收敛时间影响不大.     

气体二次喷射推力向量控制数值仿真

采用基于Favre平均的三维N-S方程和k-ε湍流模型对固体火箭发动机气体二次喷射推力向 量喷管复杂干扰内流场进行数值模拟;采用三阶精度空间差分格式和隐式Jacobi时间点迭代 方法进行求解;借助数值模拟技术对气体二次喷射推力向量喷管方案进行了初步探索,研究 了不同喷射条件对气体二次喷射流场特征及侧向控制力的影响作用;研究表明,二次喷射气 体喷射孔位置、总温及总压等因素对侧向力影响具有耦合作用,合适的喷射孔位置和高温燃 气以及较大喷射总压都能有效增加侧向力及向量角;燃气二次喷射系统具有较高的效率;侧 向力随二次喷射流总压增加而线性增大.      

气动谐振加热效应的数值模拟

为研究谐振管内部的流动情况,建立了喷嘴-圆柱形谐振管系统的模型,利用二阶NND格式求解二维轴对称雷诺平均N-S方程,通过耦合求解传热方程在边界条件中考虑谐振管的传热,模拟气动谐振加热效应,得到了谐振管底部气体的压力与温度振荡曲线,计算结果与实验结果较为一致.结果表明,在约20 ms内即可完成对谐振管底部气体的谐振加热,且谐振管的传热是影响气动谐振加热温度的重要因素,在数值模拟中对其加以考虑可以提高计算准确性.      

吹风比和曲率对旋转曲面气膜冷却效率影响

采用数值模拟方法,对旋转状态下曲率表面的气膜冷却进行研究.通过不同的曲率半径和吹风比,得到了冷却效率的分布情况,从而获得吹风比和曲率两因素对气膜冷却效率的影响规律.研究结果表明:低吹风比下,冷却效率较好;高吹风比下,气膜容易脱离壁面;凸表面的冷却效率随着曲率半径的增加而逐渐减小;而凹表面的冷却效率随着曲率半径的增加而逐渐增大;凸表面上曲率的影响作用随着旋转数的增加而逐渐弱化;而凹表面上曲率的作用随着旋转数的增大而逐渐增强.     

柔片式密封数值计算及性能分析

针对高速转子柔片式密封系统,建立了密封区域流场的数学模型,采用一种修正的压力耦合方程组的半隐式方法(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations Revised, SIMPLER)算法和有限差分法对数学模型进行数值求解,构建了柔片式密封性能分析程序,得到密封系统的压力场分布、速度场分布及泄漏量等,研究了不同结构参数和工况参数对密封性能的影响.分析结果表明:泄漏量随密封压差的增大呈线性增长趋势,而随转子转速的增大略有减小;增加柔片宽度、减小柔片长度、减小前/背板-转子间距均对降低密封系统的泄漏量有益,而柔片安装角度的变化则对密封系统的泄漏量影响不明显.基于流场的结果,柔片和转子的动力学响应将被研究.      

潜艇应急燃气吹除过程的数值仿真及实验验证

进行了潜艇应急燃气吹除系统的小比例模型原理实验,模拟了水下100 m深度时燃气吹除的排水性能与规律以及燃气吹除过程中的主要性能参数变化情况.建立了模拟小比例实验吹除过程的物理模型,应用结构化六面体网格对其两相流体流动区域进行了计算区域的离散化,并对100m海水深度下的燃气吹除过程进行了数值仿真计算,得到了对燃气泡成长规律的描述,深化了对排水过程机理的认识.仿真结果与实际情况的实验结果十分吻合,混合气体压力和排水总体积的相对误差均不超过5%,验证了数值仿真方法的可行性.