航空发动机燃油热管理系统仿真及试验验证

为充分利用燃油作为热沉介质,发挥其最大效益,针对航空发动机燃油热管理系统开展了AMESim建模仿真及试验验证。结果表明,主泵出口燃油温升的仿真与试验结果误差最大为2.99℃,热回油温升的仿真与试验结果误差最大为6.81℃。发动机典型状态点下,燃油热管理系统热回油温度和喷嘴前温度的仿真与试验结果差异在5℃以内,仿真模型置信度较高。研究结果可为技术人员开展航空发动机燃油热管理系统方案设计和评估提供参考。     

高速飞行器翼面结构热振动试验的TARMA模型方法

高速飞行器翼面结构的热振动试验研究对这类飞行器的设计和安全飞行具有重要的意义。采用时变自回归滑动平均(TARMA)模型方法建立了受热时变结构系统模态频率辨识的数学模型,并用一个数值算例进行了验证。将地面振动测试系统与瞬态热环境模拟系统相结合,设计了翼面结构热振动试验系统并模拟结构的瞬态温度场,同时对纯随机激振力激励下受热时变结构系统的振动位移信号进行测量,并用TARMA模型对时变固有频率进行了辨识,获得了前4阶固有频率随加热时间的变化规律,并将辨识结果与数值计算结果进行了比较,两者误差在5%以内。另外,在稳态均匀热环境下辨识得到的结构系统固有频率变化与数值计算结果也吻合得很好。通过将均匀温度场与瞬态温度场下的结果进行对比分析,指出了瞬态热环境下时变结构的固有频率随加热时间变化的趋势主要由结构材料属性的退化和结构内部不均匀热应力的影响共同决定。     

涡轮导向叶片热冲击数值模拟研究

研究热冲击作用下涡轮导向叶片的热应力及振动模态,旨在从热-结构影响角度揭示静子叶片损伤机理,对其热疲劳寿命分析及抗热疲劳设计具有重要意义。基于瞬态热/流耦合理论,采用有限元/边界元方法,实现某型航空发动机涡轮导向叶片在热冲击作用下的温度场计算,在此基础上求解出叶片的热应力及振动模态。研究表明,采用瞬态流/热耦合可以有效预测叶片的温度分布,其结果与试验误差为6%;依据计算所得热应力及模态振型,可以推断出叶片出现热损伤的位置,且与实验结果吻合较好;根据数值模拟结果,固有频率随温度的升高而下降,前六阶频率平均下降24.7%。     

干运转下连轴弧齿锥齿轮的瞬态热分析

为了模拟干运转下弧齿锥齿轮的温度场,根据齿轮啮合原理并考虑热量向轴的传导建立了连轴弧齿锥模型。在对热源、热传导和对流换热参数分析的基础上,建立了连轴弧齿锥齿轮瞬态热分析模型,得到了两种转速下的瞬态温度场和温升曲线,并与传统单齿模型的计算结果进行了对比。结果表明:5kr/min转速下的最终温升和温升速率相较于3kr/min转速下的结果明显更高,且两种转速的齿面温度之差沿啮合点向两端逐渐减小;在最初的5s内,单齿模型的计算结果与连轴弧齿锥模型基本一致,但随着时间的推移单齿模型的最高温升相比于连轴弧齿锥模型将更高。     

可倾瓦径向滑动轴承绝热瞬态过程分析

为了研究可倾瓦径向轴承在载荷扰动下的绝热瞬态行为.对瞬态油膜压力和温度分布采用了时变的Reynolds方程和能量方程, 建立了轴颈及瓦块动力学方程.应用有限差分及Newton-Raphson法对方程联立求解, 模拟了阶跃载荷冲击工况下可倾瓦径向轴承热瞬态非线性响应过程.给出瞬态过程中油膜最高温度、最小膜厚等参数的变化规律.结论认为瞬态过程中, 油膜温度和膜厚变化量较大, 油膜温度和膜厚响应有一定的超调量, 瞬态过程中有可能因油膜温升过高或膜厚太小而导致失效.      

机载液冷源系统热特性仿真实验研究

大功率的航空机载电子设备会存在超温问题,相比于风冷,采用液冷源对设备进行冷却具有更好的散热效果,因此需要对液冷源系统进行热特性仿真计算。以某型机载液冷源为例,建立其主要部件（包括储液箱、齿轮泵、散热器等）的传热理论数值计算模型,仿真分析-40~40 ℃温度工况下的系统热特性,并通过状态机编程实现超温情况下的温控仿真。结果表明：该型机载液冷源系统在典型工况下温度指标基本满足冷板进口温度（5~30 ℃）的技术指标要求;在系统温度上下偏值较大的情况下,采取提高风机转速或打开冲压空气口的控制方法,可明显改善该问题且冷板温度基本控制在 5~15 ℃范围内。     

载荷扰动下可倾瓦推力轴承绝热瞬态过程分析

研究了可倾瓦滑动推力轴承在阶跃载荷扰动下的绝热瞬态行为.通过对轴承油膜参数及轴承元件的动力学建模,获得了大载荷扰动工况下可倾瓦推力轴承热瞬态运动参数的非线性响应曲线.由于瞬态分析中大的计算量及油膜力的非线性,计算中采用了Newton-Raphson法对模型进行求解.最终给出了瞬态过程中轴承最高温度、最小膜厚等参数的变化规律.结果表明:如果设计和运行不当,轴承有可能因为瞬态过程中温升过高等原因失效.      

旋转爆震燃烧室梯度复合热防护结构热分析模型及验证

针对旋转爆震燃烧室高热流密度的热防护需求,提出了一种碳化硅耐烧蚀层-高硅氧烧蚀层-气凝胶隔热层-不锈钢金属基体层的梯度复合热防护结构,建立了考虑烧蚀的多层平壁一维瞬态热分析模型,结合旋转爆震燃烧室的典型热环境,采用动边界隐式差分计算格式求解获得了壁面输入热流密度和高硅氧烧蚀层主要参数对热防护结构内部温度分布的影响;同时开展了旋转爆震燃烧室梯度复合热防护结构热考核试验,对热分析模型进行了试验验证。研究结果表明：旋转爆震燃烧室壁面沿轴向温度分布存在着内在的不均匀性,前端由于预混气的及时补充而得到有效冷却,温度峰值出现在位于中截面和燃烧室出口的尾端区域。基于径向一维传热简化,从实测的旋转爆震燃烧室壁面轴向温度分布反演出时均热流密度沿程分布,并以此对特定轴向截面的热防护结构温度瞬态变化进行了分析,与试验结果的对比验证了所建立地考虑烧蚀过程的一维瞬态热分析模型可以较好地预测梯度复合热防护结构的温度变化特性。     

不同气流偏角下的壁板热颤振分析及多目标优化设计

 研究了考虑热效应的不同气流偏角下的壁板颤振问题及其多目标优化设计。采用考虑气流偏角影响的一阶活塞气动力、Von-Karmon大变形理论和准定常热应力理论建立了复合材料壁板热颤振方程。利用模拟退火算法,对不同温度场下的偏航壁板颤振速度进行计算。以偏航壁板热颤振速度和壁板重量为多目标函数,在不发生热屈曲的条件下进行优化设计。结果显示：温升使偏航壁板颤振发生“跳跃”现象,对应的气流偏角发生变化;当壁板热颤振模态不变时,偏航壁板颤振速度随温升呈下降趋势,两者呈线性关系;而当热颤振模态发生变化,即偏航壁板颤振发生“跳跃”现象时,偏航壁板颤振速度随温升先升高而后降低,两者呈非线性关系;Pareto解对应的多目标函数之间呈线性关系。     

航空发动机滑油系统断油时主推力球轴承的瞬态热分析

对在航空发动机滑油系统断油时的主推力球轴承瞬态热进行了分析。在分析基础上,应用弹流润滑理论给出了主推力球轴承产生损伤的条件,确定了中断供油时主推力球轴承的允许极限温升,或允许中断供油时主推力球轴承安全工作的极限时间,从而给出了主推力球轴承中断供油30S的安全余度。计算及其结果可为发动机整机试车及润滑系统设计提供参考。     

齿轮瞬态温度场的仿真分析

以直齿圆柱齿轮为研究对象,基于能量守恒定律和傅立叶定律推导了齿轮瞬态温度场的导热微分方程,根据定解条件确定了齿轮各个界面边界条件,运用有限元方法和传热学理论建立直齿圆柱齿轮模型,加载边界条件,并对其瞬态温度场进行仿真,得到了不同周期的温度场分布和节点温度变化曲线,系统地分析了其温度场随时间的变化.结果表明:温度随着啮合周期的增多而增高;在啮合阶段节点温度有一急剧升高,在退出啮合后进入非啮合阶段,温度逐渐降低;啮合阶段温升大于非啮合阶段温度的下降,该节点温度总体趋势升高.分析结果符合实际,为齿轮的热分析奠定了坚实的基础.     

热载荷对止口连接结构过盈量的影响分析

针对工作状态下航空发动机止口连接结构工作可靠性问题,开展了不均匀温度场下止口连接结构过盈量变化的研究。建立了止口结构简化模型,基于热弹性力学理论,利用平衡微分方程、物理方程和几何方程,推导出不均匀温度场下止口过盈量变化的计算式;通过算例进行理论计算,结合有限元软件对计算结果进行仿真对比。结果表明:在一定温度场下,航空发动机止口连接结构实际过盈量理论损失高达63%,设计时应加以补偿。所得结论可为止口连接结构过盈量设计提供理论依据。     

非牛顿大滑滚比工况的斜齿轮热摩擦特性分析

考虑啮合过程中接触线长度及齿面载荷的时变性,结合沿接触线方向综合曲率半径及卷吸速度的瞬态特点,建立满足航空传动润滑剂非牛顿流体及大滑滚比工况的有限长线接触斜齿轮热弹流润滑(TEHL)模型。采用多重网格法及逐列扫描法,获得适用于宽泛工况范围的斜齿轮热弹流润滑完全数值解;分析非牛顿及大滑滚比情形下的斜齿轮传动热摩擦特性。结果表明:斜齿轮端部存在明显压力及温度尖峰,且离入口愈近膜厚会略减小;非牛顿特性对温度场影响显著,且接触线过节点时温度分布呈“V”型分布;摩擦因数沿啮合线方向在节点处接近于0且向两侧逐渐增大,同时随滑滚比的增大而增大。      

数字图像相关法在平板热屈曲试验中的应用研究

将基于非接触全场光学测量方法的数字图像相关法应用于网格加筋平板热屈曲试验。为了减小结构热屈曲试验中石英灯辐射加热设备和高温物体自身热辐射的影响,采用单侧加热单侧测量并通过光学滤光技术成功获得了瞬态气动加热环境下典型网格加筋平板的全场热变形,分析得到网格加筋平板在特定力载荷和支持边界条件下的热屈曲临界温升,此种非接触式高温数字图像测量方法可以作为判定结构热屈曲的重要手段。试验结果表明,数字图像相关法适用范围广、抗干扰能力强、测量精度高,在结构热屈曲试验领域具有重要的应用前景。     

CFRP电流辅助铆接的连接域热响应建模与验证

钛合金铆钉变形时易不均匀、易开裂,在碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）铆接过程中引入脉冲电流作用,软化铆钉并改善其塑性。研究了连接域内的热响应机制与温度场分布,基于能量守恒、焦耳热定律、热传导定律构建了静态焦耳热模型表征稳态换热铆接工况下的CFRP温度,考虑铆接过程电流波动、温度分布不均和热区域分散性建立了动态温度场模型预测铆接过程温升。结果表明：CFRP孔周一定辐射半径范围处温度与钉中心温度线性相关,模型准确模拟出了40 s内的过程温度。静态模型在11%误差以内精准预测了中心饱和温度,动态模型模拟的温升趋势与实测温度值吻合较好。热量传递的滞后性使得动态模型对快速温升时的温度预测存在误差,该误差随电流密度变大而增加,最大达17.15%。接头损伤评估表明过程温度控制在150℃内时可获得质量合格的铆接接头。     

复合热条件下椭球形封闭腔内低压气体的自然对流

以填充氦气的平流层浮空器为应用背景,对非均匀复杂热边界条件下大尺寸椭球形封闭腔内低压气体的自然对流热特性与动力学特性进行了数值模拟。以Fluent软件为基础,采用用户自定义函数(UDF)自编程技术引入外部非均匀的对流-辐射耦合热边界条件,考虑了低压气体密度对压力、温度的依赖关系。分析了不同条件下腔壁与内部气体温度、对流换热特性以及流场、压力、质心变化等动力学特性,通过数据分析,获得了腔内自然对流的局部对流换热系数关联式。研究结果表明,在平流层环境下,外部非均匀热边界条件及其变化对封闭腔内低压气体的自然对流热特性与动力学特性影响很大。     

燃烧室和涡轮相互作用下高压涡轮级气热性能研究进展

现代燃烧室由于富油燃烧-快速焠熄-贫油燃烧技术和贫油预混燃烧技术导致其出口具有非均匀温度（热斑）分布、强旋流和高湍流度的流动特征,显著影响燃烧室下游高压涡轮级的气热性能。先进高压涡轮级气热性能分析和冷却设计越发依赖于燃烧室和涡轮相互作用下交界面的气热参数非均匀分布特征。论文阐述了燃烧室和涡轮相互作用机理。介绍了燃烧室和涡轮相互作用下高压涡轮级气热性能研究的代表性实验台和数值方法。分别综述了燃烧室和涡轮相互作用下热斑、热斑和旋流、旋流和湍流度对高压涡轮级气热性能的影响特性。给出了燃烧室和涡轮相互作用下高压涡轮级的气热性能分析及不确定性量化的研究现状。总结了燃烧室和涡轮相互作用下高压涡轮级气热性能的研究成果。展望了非均匀气热参数分布条件下高压涡轮级气热性能可靠性分析和鲁棒性设计需要更加深入研究的方向,为适应先进航空发动机的燃烧室和涡轮一体化设计需求提供参考。     

基于过渡态测试数据的高压涡轮盘瞬态热分析模型优化方法

为了提高发动机高压涡轮盘瞬态温度场的分析精度,提出利用试车过程中旋转部件过渡态壁温测试数据的高压涡轮盘瞬态热分析模型优化方法。引入自适应模拟退火（ASA）优化算法,将典型位置处温度计算值与测试数据之间的均方根误差最小为优化目标,建立了过渡态热分析计算模型优化方法,实现了高压涡轮盘瞬态热分析模型的自动优化。以高压涡轮盘实际历程下壁温测点数据为基准,开展瞬态热分析模型优化及验证。结果表明：优化后热分析模型的节点温度计算值随时间的变化曲线与实测温度变化趋势吻合良好,且在全时间域内高压涡轮盘典型位置处瞬态计算壁温与测试值的平均偏差为11 K,最大偏差为15 K,满足工程计算的精度要求。算例表明高压涡轮盘瞬态热分析模型优化方法在提升温度场修正计算效率的同时具备较高的计算精度。     

基于数字图像相关方法的非接触高温热变形测量系统

 为测定高速飞行器材料与结构的高温变形,将基于图像的变形测量的数字图像相关(DIC)方法与基于红外辐射加热装置和闭环控制的瞬态气动热试验模拟系统相结合建立了一套非接触高温热变形测量系统。该系统通过瞬态气动热试验模拟系统中的红外辐射加热装置对被测试样施加快速和精确可控的热载荷,温度加载范围从室温到1 200 ℃。在热加载过程中用数字摄像机记录不同温度下被测试样表面的数字图像,随后用DIC方法对这些记录的数字图像进行分析,从中提取被测试样表面的全场热变形。为验证该高温变形测量系统的性能,测量了铬镍奥氏体不锈钢在20～550 ℃温度范围内的热变形和热膨胀系数(CTE),结果显示该系统可快速方便地对航空航天材料的全场高温热变形进行精确测量。     

飞机燃油箱热分析研究

为了预测飞机燃油箱燃油温度在飞行过程中的变化情况,基于热网络法建立了飞机燃油箱非稳态热分析模型。该模型考虑了油箱内部的换热问题,同时又考虑了燃油箱壁面与外界环境间的对流换热、辐射换热以及气流的气动加热问题,将燃油箱热分析的边界扩展至燃油箱外。采用Matlab/Simulink软件实现了飞机整个航程内燃油箱系统的热分析研究,并将热分析计算结果与飞行测试数据进行了对比。结果表明,计算结果与飞行测试数据吻合良好,最大误差不超过3.2℃。