背负式S形进气道流场控制技术

通过在已有的S形进气道入口第一弯底部布置一系列类机翼的导流叶片,来改善出口流场分布,抑制旋流,减小出口畸变指数.分析了导流叶片的高度、弦长、攻角和安装位置(轴向位置和横向位置)这几个参数对S形进气道内流的影响,并利用计算流体力学(CFD)方法针对导流叶片的组数展开研究,得到最优结果.结果表明,采用优化后的导流叶片,可以有效抑制内流分离,降低S形进气道出口畸变指数,改善流场品质. 这些分析结果对于涡流发生器的设计有一定的指导意义.      

高超声速涡轮/冲压组合发动机方案

为满足高超声速运输机在宽广的工作范围内(Ma＝0~5,H=0~30 km)稳定,可靠工作,研究了涡轮/冲压组合动力装置并联方案.完成了涡扇发动机和冲压发动机的总体性能方案设计,2种工作模式转换过程和沿飞行轨迹的组合发动机稳态特性模拟也已接近尾声.建立了适合高超声速飞行的涡扇发动机、冲压发动机可变几何的部件级详细性能计算模型,比较分析了涡扇发动机的加力方案;考虑了进气道/发动机流量匹配对发动机特性的影响;给出了涡轮/冲压模式转换阶段的稳态性能仿真结果.      

高超声速串联式组合动力装置方案

为保证高超声速运输机在宽广的飞行包线内(Ma＝0~5,H=0~30km)稳 定可靠工作,对涡轮/冲压组合动力装置串联方案展开研究.首先建立了经试验数据校核的 适于高超声速飞行的组合动力装置部件级变循环详细非线性性能计算模型;在此基础上,利 用发动机设计点热力循环分析和非设计点性能分析方法对串联方案的综合特性进行评估,最 终给出一种经过优化的串联布局涡扇/冲压组合动力装置总体性能设计方案.研究结果表明 ,优化方案可有效地缩小组合发动机的结构尺寸与重量,有利于进气道,喷管的调节以及冲 压燃烧室燃烧的组织.通过综合调整发动机5个可调几何部位以及涡轮发动机燃油流量和冲 压燃烧室燃油流量,可以实现涡扇/冲压模式的平稳转换.      

涡扇发动机地面起动过程性能模拟

用积分方法建立了混合排气加力涡扇发动机起动过程模拟模型并用该模型进行了仿真计算,模型基于气动热力学方程、各部件特性以及经验关系式,根据给出的发动机起动过程初始条件、燃烧室供油规律等进行计算.为说明所建立的起动性能模型的模拟效果,将程序计算结果与试验结果进行了比较,结果表明该起动仿真模型能较准确地模拟混排加力涡扇发动机的地面起动过程.还分析了计算过程中对起动过程有比较大影响的因素,包括计算时间步长,起动机脱开转速,燃烧室总压恢复系数的经验系数,大气温度、压力以及海拔高度等.了解这些因素对起动过程及模拟结果的影响,便于通过修正的途径将该计算方法用于发动机地面起动性能的准确模拟.      

直升机发动机入口绕流的数值模拟

对直升机发动机入口处流场采用有限体积法,通过生成贴体结构化网格求解Navier-Stokes(N-S)方程, 进而对MI-171直升机低空悬停和前飞状态进行数值模拟,计算了该型直升机发动机进气道处的流场特性.然后以广义尾流入手,并引入尖涡涡核作用的半经验修正的旋翼自由尾流模型对该机发动机进气道处流场进行计算分析.对沿发动机轴线剖面以及垂至于该轴线剖面的分析结果表明,CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟方法与旋翼自由尾流分析方法均可以对涡诱导流场进行预测.     

飞机结冰中水滴撞击特性的欧拉法准确性分析

过冷水滴撞击特性计算是飞机结冰冰形预测与防除冰系统性能分析的基础，常用方法为欧拉法与拉格朗日法，2种方法的结果通常是一致的，但在某些部件上会出现差异。通过对欧拉法与拉格朗日法进行比较，分析2种方法结果的异同，进而讨论欧拉法对于飞机结冰中水滴撞击特性计算的准确性。以NACA 0012翼型、冰风洞风道、S形进气道与发动机气膜帽罩为对象，采用欧拉法与拉格朗日法计算获得水滴运动及局部水收集系数。结果表明：当水滴运动未受到上游效应影响时，欧拉法与拉格朗日法的结果一致；当水滴发生偏转后，欧拉法速度的单一性使水滴流线不能相交，而拉格朗日法能捕捉水滴轨迹的交叉，导致2种方法的预测产生差异，且欧拉法结果与水滴不碰撞及聚并的假设存在冲突；水滴在上游部件空气绕流或气流吹袭作用下都会发生偏转，使得欧拉法与拉格朗日法得到的下游表面水收集系数不相符，欧拉法对于S形进气道与发动机气膜帽罩的水滴运动及撞击特性计算存在误差。研究成果对飞机结冰冰形的准确预测及防除冰系统的设计有重要参考价值。     

飞翼布局无人机进排气影响及机理分析

进气道尾喷管的存在不仅影响着飞机机身前后的流场特性与压力分布,而且影响着飞机升力特性、阻力特性以及力矩特性.为了研究进排气效应对飞机气动特性的影响,采用计算流体力学(CFD)数值模拟技术,建立飞翼布局无人机(UAV)堵锥整流模型和动力影响模型,其中动力影响模型是根据发动机不同的工作状态,在进气道以及尾喷管截面上设置不同的边界条件,对比分析这两种计算模型在流场特征和气动特性上的差异性,揭示内在的影响机理.进排气效应的研究有助于飞机/发动机的一体化气动综合设计.      

航空发动机一维数值仿真

分析了航空发动机一维气动热力数值仿真模型,此模型能够用于航空发动机整机数值仿真.进行了整机性能数值仿真,求解过程考虑了粘性效应以及气体流动损失对于整机性能的影响;采用了具有TVD性质的高阶精度Godunov格式,此格式具有良好的数值稳定性和激波捕捉能力;应用了时间推进法,交替使用显/隐格式.计算了某型带加力的混排涡扇发动机的速度特性以及节流特性并且与设计数据进行了比较分析,数值仿真结果与设计数据比较吻合.分析了典型工作点的计算过程,模型收敛速度较快.     

基于辅助进气门的进气道/发动机一体化控制

针对进气道与发动机的耦合问题,研究了低速大迎角状态下,基于辅助进气门的进气道/发动机一体化控制。首先,建立了飞行条件、迎角、辅助进气门开度与出口总压恢复系数和流量相关联的进气道实时模型,进而将进气道出口流量和发动机进口流量相匹配,建立了进气道/发动机一体化模型的控制仿真平台。其次,为了解决大机动过程中发动机进口流量不足和压力不均的问题,提出了一种带有辅助进气门调节的进气道/发动机一体化控制方法,即通过调节辅助进气门开度实现进气道出口总压恢复系数控制,在保证进气道出口性能稳定的情况下,基于H_∞鲁棒控制方法实现对发动机转速和压比的控制。研究结果表明,在整个大机动过程中,所提出的进气道/发动机一体化控制可以使得发动机各项性能保持稳定,在典型任务工况下,推力提高了16%,耗油率下降了6%。      

航空发动机多变量变增益控制器设计及仿真

针对航空发动机全包线工作下的多变量变增益控制器设计问题,给出了一种改进的埃德蒙德算法（以下简称KQ算法）并进行了仿真应用。首先,阐明了多变量KQ算法的控制原理与优化算法,进而通过闭环期望函数选择、控制器结构选择以及控制器参数优化进行了KQ控制器设计,并针对所设计的KQ控制器,给出了稳定性证明和系统奇异值分析。分析表明所设计KQ控制器能够使系统闭环稳定,且具有满意的低频指令跟踪、干扰抑制能力、传感器噪声的抑制、高频未建模动态的鲁棒稳定性和低频发动机建模误差不敏感等性能,满足发动机控制要求。其次,通过调度变量选择、设计点KQ控制器设计以及采用插值方法的非设计点KQ控制器设计等过程实现某型涡扇发动机的多变量KQ变增益控制器设计研究,并进行仿真验证。仿真结果表明,设计点条件下,当涡轮后温度和增压比参考输入均为阶跃信号时,其被控参数响应速度很快,且上升时间均小于1 s,耦合影响小于6%,设计点KQ控制器满足控制要求;非设计点条件下,利用插值方法建立的KQ变增益控制器具有较好的性能,能够实现该型涡扇发动机全包线控制性能要求。      

小样本理论在航空发动机研制费估算中的应用

研究了小样本理论中的偏最小二乘法在航空发动机研制费估算中的适用性,系统收集了国内10余种军用涡喷/涡扇发动机的技术性能和研制费数据,选取涡轮进口温度、军用耗油率、发动机军用推力、发动机加力推力、发动机推重比、发动机净重、总增压比、空气流量、翻修寿命、原型机数量、完成时间等技术参数,将小样本理论中的偏最小二乘法应用于军用航空发动机研制费估算模型的研究,形成了基于主要性能指标的军用航空发动机研制费参数估算模型,并建立了军用航空发动机研制继承系数的概念.计算结果表明,该模型较国内其他已有模型的精度有所提高,达到了10%,可以应用于我国航空发动机研制费的快速估算.     

喷管分离流动及其侧向载荷

利用商业软件CFX对某液体火箭大面积比喷管地面条件下的分离流动进行了三维数值模拟.计算获得了喷管入口总压从8MPa减小到1MPa时的流场参数分布和侧向力载荷情况.结果表明,随着入口总压的降低,喷管内流场会依次经历自由激波分离和受限激波分离两种分离激波模态.受限激波分离模态下喷管壁面压强具有较大波动,再附着点压强甚至高于环境压强.流动分离情况下,喷管将受到一定侧向载荷作用,载荷方向随机分布.入口总压为4MPa时计算得到的侧向载荷最大,实际侧向载荷峰值可能出现在自由激波分离与受限激波分离转换瞬间.     

CARET进气道亚音速气动特性研究

通过对一种Caret型进气道进行试验与流场数值计算研究,给出该型进气道亚音速的基本气动特性.在低速情况下,进/发匹配点处由于流量系数较大,管道内往往存在分离,这是总压恢复降低的主要原因.试验表明在进气道出口的左上角存在低能量区,而数值计算显示在进口外下角处首先出现流动分离,分离在管道内发展时并未沿周向旋转.      

发动机-变量泵-变量马达驱动系统分层控制

为充分发挥工程车辆用发动机及液压系统的工作性能,并同时提高其在动态条件下的功率传递效率,对发动机-变量泵-变量马达(三变量)组成的串联型液压驱动系统控制策略进行研究.对驱动系统各个部分进行参数匹配,确定各环节的额定计算工况; 提出自适应分层控制策略,以系统效率最大化为目标,主动调节发动机、变量泵以及变量马达的工作点,主动适应负载功率需求.在MATLAB/Simulink软件中对系统进行后向建模,仿真结果表明,所提出的控制策略能够有效地保证系统高效率的功率传递,通过优化发动机工作点降低油耗.      

某发动机涡轮叶片使用寿命可靠性分析

发动机的载荷谱是发动机结构寿命研究的依据.利用某短寿命发动机的开车数据,对其高压涡轮叶片使用寿命进行了预测.建立了发动机等效寿命消耗计算模型,采用数据压缩处理技术,有效地提取了发动机的工作载荷.根据发动机短使用寿命这一特点,用威布尔分布模型描述此发动机涡轮叶片寿命分布,建立了发动机寿命可靠性模型,采用不完全寿命数据的中位秩法对发动机叶片寿命进行可靠性计算.随着可靠性增长,发动机寿命不断提高,考虑样本的时效性,用动态的威布尔分布模型来描述此发动机可靠性的增长,以便发动机在研制过程中的可靠性评估.      

低动能来流下背负式进气道非定常流动特性分析

为了改善飞翼布局背负式S弯进气道低动能来流状态下的流动性能,采用改进的延迟分离涡模拟（IDDES）方法对原型及改进型背负式进气道流场进行了数值模拟研究,对比分析了进气道流量特性及内部脉动压力特性。结果表明:低动能来流时背负式进气道上部唇口附近存在很大的气流转折角,导致唇口产生分离涡;原型进气道唇口分离涡强度高,高能量分离涡在进气道顶部破裂产生了大范围旋涡结构,进一步加剧了流动分离,从而引发进气道内产生强烈的压力脉动,声压级最大幅值高达145 dB;改进型进气道唇口分离涡得到了有效控制,强度大幅下降,进气道内部压力脉动幅值也显著降低,声压级降幅达8 dB;改进型进气道分离的抑制使进气道有效流通截面积增大,质量流量增加。同时,流场出口品质提升,进气道出口综合畸变指数降低了9.5%。